Galvanische Elemente

Jede Batterie, jeder Akku und jede Brennstoffzelle beruht auf demselben Prinzip: Zwei Stoffe, die Elektronen unterschiedlich fest halten, werden so angeordnet, dass die Elektronen bei ihrer Reaktion den Umweg über einen äußeren Leiter nehmen müssen. Diese Anordnung heißt galvanisches Element – nach Luigi Galvani, dessen Froschschenkelversuche um 1790 Alessandro Volta zur ersten Batterie, der Voltaschen Säule, führten.

Wie an einer Elektrode Spannung entsteht

Tauchst du ein Metall in einen Elektrolyten, lösen sich einige Atome als positive Ionen in der Flüssigkeit. Ihre Elektronen bleiben im Metall zurück – das Metall lädt sich gegenüber der Lösung negativ auf, bis die Anziehung zwischen dem negativen Metall und den positiven Ionen weiteres Auflösen bremst. An der Grenzfläche bleibt eine kleine Spannung stehen. Ein edleres Material löst sich kaum; stattdessen lagern sich dort positive Ionen aus der Lösung an, und es wird gegenüber dem Elektrolyten positiv.

Diese einzelne Grenzflächenspannung kannst du nicht direkt messen, denn jedes Messkabel im Elektrolyten wäre selbst wieder eine Elektrode. Messbar ist nur die Differenz zwischen zwei Elektroden – und genau die liefert das galvanische Element. Wie groß sie ist, hängt von den beiden Elektrodenwerkstoffen ab, aber auch von Art und Konzentration des Elektrolyten.

Das Daniell-Element

Das klassische Lehrbeispiel ist das Daniell-Element: Ein Zinkstab taucht in Zinksulfatlösung, ein Kupferstab in Kupfersulfatlösung. Eine poröse Trennwand oder eine Salzbrücke verbindet die beiden Lösungen, ohne dass sie sich vermischen.

Zink ist unedler als Kupfer; es gibt seine Elektronen leichter ab. Verbindest du die Stäbe über einen Verbraucher, löst sich Zink auf, und an der Kupferelektrode scheidet sich Kupfer ab:

Die Elektronen fließen außen vom Zink zum Kupfer, der technische Strom also vom Kupfer (Pluspol) durch den Verbraucher zum Zink (Minuspol). Innen gleichen Ionen, die durch die Trennwand wandern, die Ladungen aus. Ohne diese Verbindung würde sich sofort Ladung stauen und der Strom stoppen.

Die elektrochemische Spannungsreihe

Wie stark ein Metall dazu neigt, Elektronen abzugeben, beschreibt sein Normalpotential E⁰. Es wird gegen eine Bezugselektrode gemessen, die Normal-Wasserstoffelektrode, der man willkürlich 0 V zuordnet – ähnlich wie man in der Schaltung einen Bezugspunkt als Masse festlegt.

Metalle mit negativem Potential heißen unedel, solche mit positivem edel. Auch Nichtmetalle und Verbindungen haben ein Normalpotential: Chlor liegt bei +1,36 V, Fluor mit +2,87 V ganz oben – es reißt Elektronen am stärksten an sich. Die Leerlaufspannung einer Zelle ergibt sich aus der Differenz der beiden Potentiale:

Die Werte gelten für 25 °C und Lösungen mit einer Konzentration von 1 mol/l. Ändert sich die Konzentration, verschiebt sich das Potential nach der Nernst-Gleichung – bei 25 °C um 0,059 V / z pro Zehnerpotenz der Konzentration. Deshalb sinkt die Spannung einer Zelle langsam, während sie sich entlädt.

Spannung ist nicht alles

Ein galvanisches Element ist keine ideale Spannungsquelle. Unter Last sinkt die Klemmenspannung, weil Ionen im Elektrolyten und Reaktionen an den Elektroden nicht beliebig schnell ablaufen. Diese Verluste fasst man als Innenwiderstand zusammen. Je größer die Elektrodenfläche und je besser der Elektrolyt leitet, desto kleiner ist er.

Die Spannung bestimmen also die Stoffe, den maximal möglichen Strom bestimmt der Aufbau. Wie viel Ladung eine Zelle insgesamt liefern kann, hängt von der Menge der Reaktionspartner ab – das ist die Kapazität in Amperestunden.

Kontaktkorrosion

Dasselbe Prinzip wirkt ungewollt überall, wo zwei verschiedene Metalle und Feuchtigkeit zusammenkommen. Das unedlere Metall wird zur Anode und löst sich auf – Kontaktkorrosion. Typische Fälle in der Elektrotechnik:

• Aluminiumkabel an Kupferklemmen: Das Aluminium korrodiert, der Übergangswiderstand steigt, die Klemme wird heiß.
• Zinnoberflächen gegen Goldkontakte: Zinn oxidiert an der Kontaktstelle, Steckverbindungen werden unzuverlässig.
• Edelstahlschrauben in Aluminiumgehäusen im Außenbereich.

Ob eine Zelle nach dem Entladen wieder aufgeladen werden kann, unterscheidet Primärelemente von Sekundärelementen.

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