Primärzelle - Primary cell

Eine Vielzahl von Standardgrößen von Primärzellen. Von links: 4,5-V-Mehrzellenbatterie, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, 9-V-Mehrzellenbatterie, (oben) LR44, (unten) CR2032

Eine Primärzelle ist eine Batterie (eine galvanische Zelle ), die dazu bestimmt ist, einmal verwendet und entsorgt, nicht mit Strom aufgeladen und wie eine Sekundärzelle ( wiederaufladbare Batterie ) wiederverwendet zu werden . Im Allgemeinen ist die in der Zelle stattfindende elektrochemische Reaktion nicht reversibel, wodurch die Zelle nicht wiederaufladbar ist. Da eine Primärzelle verwendet wird, verbrauchen chemische Reaktionen in der Batterie die Chemikalien, die den Strom erzeugen; Wenn sie weg sind, produziert die Batterie keinen Strom mehr. Im Gegensatz dazu kann in einer Sekundärzelle die Reaktion umgekehrt werden, indem ein Strom mit einem Batterieladegerät in die Zelle geleitet wird , um sie wieder aufzuladen, wodurch die chemischen Reaktanten regeneriert werden. Primärzellen werden in einer Reihe von Standardgrößen hergestellt, um kleine Haushaltsgeräte wie Taschenlampen und tragbare Radios mit Strom zu versorgen .

Primärbatterien machen etwa 90 % des 50-Milliarden-Dollar-Batteriemarkts aus, aber Sekundärbatterien haben Marktanteile gewonnen. Jedes Jahr werden weltweit etwa 15 Milliarden Primärbatterien weggeworfen, die praktisch alle auf Mülldeponien landen. Batterien sind aufgrund der enthaltenen giftigen Schwermetalle und starken Säuren und Laugen Sondermüll . Die meisten Kommunen stufen sie als solche ein und verlangen eine gesonderte Entsorgung. Die Energie, die zur Herstellung einer Batterie benötigt wird, ist etwa 50-mal größer als die darin enthaltene Energie. Aufgrund ihres hohen Schadstoffgehalts im Vergleich zu ihrem geringen Energiegehalt gilt die Primärbatterie als verschwenderische, umweltschädliche Technologie. Vor allem aufgrund des steigenden Absatzes von drahtlosen Geräten und schnurlosen Werkzeugen, die nicht wirtschaftlich mit Primärbatterien betrieben werden können und mit integrierten wiederaufladbaren Batterien ausgestattet sind, verzeichnet die Sekundärbatterieindustrie ein hohes Wachstum und ersetzt langsam die Primärbatterie in High-End-Produkten.

Nutzungstrend

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts begannen Primärzellen Marktanteile an Sekundärzellen zu verlieren, da die relativen Kosten für letztere sanken. Der Strombedarf der Taschenlampen wurde durch den Wechsel von Glühbirnen zu Leuchtdioden reduziert .

Der verbleibende Markt erlebte einen verstärkten Wettbewerb durch Private- oder No-Label-Versionen. Der Marktanteil der beiden führenden US-Hersteller Energizer und Duracell ging 2012 auf 37 % zurück. Zusammen mit Rayovac versuchen diese drei, die Verbraucher von Zink-Kohle - Batterien zu teureren, langlebigeren Alkaline-Batterien umzustellen .

Westliche Batteriehersteller haben die Produktion ins Ausland verlagert und stellen keine Zink-Kohle-Batterien mehr in den USA her.

China wurde zum größten Batteriemarkt, wobei die Nachfrage voraussichtlich schneller als anderswo steigen wird, und hat sich auch auf alkalische Zellen umgestellt. In anderen Entwicklungsländern müssen Einwegbatterien mit billigen aufziehbaren, windbetriebenen und wiederaufladbaren Geräten konkurrieren, die sich verbreitet haben.

Vergleich zwischen Primär- und Sekundärzellen

Sekundärzellen ( wiederaufladbare Batterien ) sind im Allgemeinen wirtschaftlicher als Primärzellen. Ihre anfänglich höheren Kosten und die Anschaffungskosten eines Ladesystems können auf viele Nutzungszyklen (zwischen 100 und 1000 Zyklen) verteilt werden; Bei handgehaltenen Elektrowerkzeugen wäre es beispielsweise sehr kostspielig, alle paar Stunden einen Primärakku mit hoher Kapazität auszutauschen.

Primärzellen sind nicht für das Wiederaufladen zwischen Herstellung und Gebrauch ausgelegt, haben daher eine Batteriechemie, die eine viel geringere Selbstentladungsrate aufweisen muss als ältere Typen von Sekundärzellen; Diesen Vorteil haben sie jedoch mit der Entwicklung wiederaufladbarer Sekundärzellen mit sehr niedrigen Selbstentladungsraten verloren, wie z.

Gängige Typen von Sekundärzellen (nämlich NiMH und Li-Ion) erleiden aufgrund ihres viel geringeren Innenwiderstands nicht den großen Kapazitätsverlust, den Alkali, Zink-Kohle und Zinkchlorid ("heavy duty" oder "super heavy duty") haben mit hoher Stromaufnahme.

Reservebatterien erreichen eine sehr lange Lagerzeit (in der Größenordnung von 10 Jahren oder mehr) ohne Kapazitätsverlust, indem die Komponenten der Batterie physisch getrennt und erst zum Zeitpunkt der Verwendung zusammengebaut werden. Solche Konstruktionen sind teuer, finden sich jedoch in Anwendungen wie Munition, die vor der Verwendung jahrelang gelagert werden kann.

Polarisation

Ein Hauptfaktor, der die Lebensdauer von Primärzellen verringert, besteht darin, dass sie während des Gebrauchs polarisiert werden. Dies bedeutet, dass sich Wasserstoff an der Kathode ansammelt und die Effektivität der Zelle verringert. Um die Auswirkungen der Polarisation in kommerziellen Zellen zu reduzieren und deren Lebensdauer zu verlängern, wird chemische Depolarisation verwendet; das heißt, der Zelle wird ein Oxidationsmittel zugesetzt, um den Wasserstoff zu Wasser zu oxidieren. Mangandioxid wird in der Leclanché-Zelle und der Zink-Kohlenstoff-Zelle verwendet , und Salpetersäure wird in der Bunsen-Zelle und der Grove-Zelle verwendet .

Es wurden Versuche unternommen, einfache Zellen selbstdepolarisierend zu machen, indem die Oberfläche der Kupferplatte aufgerauht wurde, um das Ablösen von Wasserstoffblasen mit wenig Erfolg zu erleichtern. Elektrochemische Depolarisation tauscht den Wasserstoff gegen ein Metall, wie Kupfer (zB Daniell-Zelle ), oder Silber (zB Silber-Oxid-Zelle ), sog.

Terminologie

Anode und Kathode

Der Batteriepol ( Elektrode ), der eine positive Spannungspolarität entwickelt (die Kohlenstoffelektrode in einer Trockenzelle) wird als Kathode bezeichnet und die Elektrode mit einer negativen Polarität ( Zink in einer Trockenzelle) wird als Anode bezeichnet . Dies ist die Umkehrung der Terminologie, die in einer Elektrolysezelle oder thermionischen Vakuumröhre verwendet wird . Der Grund dafür ist, dass die Begriffe Anode und Kathode durch die Richtung des elektrischen Stroms definiert werden, nicht durch ihre Spannung. Die Anode ist der Anschluss, durch den konventioneller Strom (positive Ladung) vom externen Stromkreis in die Zelle eintritt, während die Kathode der Anschluss ist, durch den konventioneller Strom die Zelle verlässt und in den externen Stromkreis fließt. Da eine Batterie eine Stromquelle ist, die die Spannung liefert, die den Strom durch den externen Stromkreis zwingt, muss die Spannung an der Kathode höher sein als die Spannung an der Anode, wodurch ein von Kathode zu Anode gerichtetes elektrisches Feld erzeugt wird, um die positive Ladung zu erzwingen durch den Widerstand des äußeren Stromkreises aus der Kathode heraus.

Innerhalb der Zelle ist die Anode die Elektrode, an der die chemische Oxidation stattfindet, da sie Elektronen abgibt, die aus ihr in den äußeren Kreislauf fließen. Die Kathode ist die Elektrode, an der die chemische Reduktion stattfindet, da sie Elektronen aus dem Stromkreis aufnimmt.

Außerhalb der Zelle wird eine andere Terminologie verwendet. Da die Anode eine positive Ladung an den Elektrolyten abgibt (und somit mit einem Überschuss an Elektronen verbleibt, die sie an den Stromkreis abgibt), wird sie negativ geladen und wird daher mit der mit "-" gekennzeichneten Klemme an der Außenseite der Zelle verbunden. Die Kathode hingegen spendet dem Elektrolyten eine negative Ladung, so dass er positiv geladen wird (was ihm ermöglicht, Elektronen aus dem Stromkreis aufzunehmen) und daher mit der mit "+" gekennzeichneten Klemme an der Außenseite der Zelle verbunden ist.

Alte Lehrbücher enthalten manchmal unterschiedliche Terminologien, die bei modernen Lesern zu Verwirrung führen können. Zum Beispiel beschreibt ein Lehrbuch von 1911 von Ayrton und Mather die Elektroden als "positive Platte" und "negative Platte".

Siehe auch

Verweise

Externe Links