Elektrochemische Vorgänge im Kfz - Galvanisches Element

von kfztech.de

gehört zu Elektrotechnische Grundlagen im Kfz

In Teil 1 über die Kontaktkorrosion und die elektrochemische Korossion wurde über die Nachteile elektrochemischer Vorgänge im Kfz berichtet. Über nutzbringende Anwendungen der Chemie im Auto soll es nun gehen.

Das Galvanische Element

Wie bei der Korrosion zu lesen war, werden Elektronen frei, es werden also Ladungen getrennt, eine Spannung entsteht. Dies gilt immer, wenn zwei unterschiedliche Leiter in eine leitende Flüssigkeit getaucht werden. Werden beispielsweise Kupfer und Zink in eine Salzlösung getaucht, entsteht zwischen beiden Metallen eine elektrische Spannung. Batterieelemente, die nach dem Prinzip zweier verschiedener Metalle in einem Elektrolyt funktionieren, werden nach ihrem Entdecker Luigi Galvani als Galvanische Elemente bezeichnet.

Merke: Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als Galvanisches Element.

Luigi Galvani, 1737 in Bologna geboren, gelang mit Experimenten an Fröschen und Fischen die Entdeckung der Bioelektrizität. Zur Erinnerung an Galvani wird heute die Gesamtheit elektromagnetischer Erscheinungen, die durch Berührung verschiedenartiger Stoffe zustande kommt, Galvanismus genannt. Die Galvanotechnik ist demnach das elektrochemische Verfahren zum Veredeln metallischer Oberflächen. Diese Methode wird auch Elektrolyse genannt. Alessandro Volta schichtete 1799 Kupfer- und Zinkscheiben abwechselnd übereinander und legte zwischen die Scheiben jeweils ein in Salzlösung getränktes Stück Pappe. Diese "Volta'sche Säule" lieferte Energie und so war die erste Batterie geboren.

Die Höhe der Spannung hängt wie eingangs erwähnt von der Art der verwendeten Metalle ab. Deshalb sind alle Metalle von edel bis unedel in der so genannten elektrochemischen Spannungsreihe (Tabelle 1) aufgelistet. Solche Potenziale entstehen, sobald eines dieser Elemente als Elektrode in eine Elektrolytlösung eingetaucht wird. Die elektrochemische Spannungsreihe erlaubt somit die Berechnung der Spannungen, die Batterien und Akkumulatoren maximal liefern können. Bringt man demnach zwei unterschiedlich edle Metalle dieser Reihe gemeinsam in eine Elektrolytlösung, so ist es möglich durch die Potenzialdifferenz die elektrische Spannung an den herausragenden Enden zu messen. Nach Tabelle 1 weist z.B. Kupfer eine positive Spannung von +0,34 V und Zink einen negativen Wert von –0,76 V auf. Die maximale erreichbare Spannung liegt somit bei 1,1 V.

Daniell-Element

Das Daniell-Element ist ein typisches Galvanisches Element. Hier werden Oxidation und Reduktion räumlich getrennt.

Das Daniell Element ist ein Galvanisches Element. Es wird eine Spannung erzeugt. - Bild: LMU

Dabei taucht man ein Zinkblech in eine Zinksulfat-Lösung (ZnSO₄) und ein Kupferblech Kupfersulfat Lösung. Dabei oxidiert das Zinkblech wegen seines niedrigeren Potenzials und geht in Form von Zink-Ionen (Zn₂+) in Lösung. Gleichzeitig werden die Kupfer-Ionen reduziert und scheiden sich als Kupferüberzug auf dem Zinkblech ab. An der Kupferelektrode gehen mehr Cu₂+-Ionen in Lösung als sich Cu-Ionen wieder abscheiden. Da das Zink Elektronen an die Elektrode abgibt, wenn es in Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf. Zwischen den beiden Halbzellen kann eine Spannung gemessen werden. Verbindet man Zink- und Kupferblech leitend miteinander, so fließen über den Leitungsdraht Elektronen vom Zink zum Kupfer. Jede Lösung bildet mit dem in sie eintauchenden Metall eine Halbzelle. Die beiden Halbzellen sind durch eine poröse Trennwand oder mit einer Salzbrücke als Stromschlüssel verbunden. Die Wirkungsweise des Stromschlüssels ist folgende: Wenn in der linken Lösung Zn₂+ in Lösung geht, erhöht sich die Konzentration der Kationen. Gleichzeitig entsteht in der rechten Lösung durch Entladung von Cu2+ ein Anionen Überschuss. Der Ladungsausgleich erfolgt über die Trennwand, in dem Anionen von rechts nach links wandern.

Dabei finden die folgenden Teilreaktionen Oxidation und Reduktion statt.

Zn    →    Zn ²⁺ + 2e^-

Cu²⁺ + 2 e−   →   Cu

Zusammenfassend lässt sich zum Galvanischen Element auch einfach ausgedrückt feststellen: Bringen wir zwei verschiedene Metalle mit einer leitenden Flüssigkeit in Kontakt, entsteht an den kontaktierten Oberflächen ein Ladungsunterschied in Form einer elektrischen Spannung. Werden dann noch die beiden herausragenden Enden verbunden, fließt ein elektrischer Strom, und es kommt zum Ladungsaustausch. Durch die elektrochemischen Prozesse wird dabei das unedlere Metall zersetzt und löst sich auf.

Zum begrifflichen Verständnis und zur Abgrenzung werden Galvanische Zellen systematisch in drei Gruppen unterteilt:

• Primärzellen werden umgangssprachlich auch als Batterien bezeichnet. Kennzeichnend für sie ist, dass nach der Herstellung Batterie die Zelle aufgeladen ist und nur einmal entladen werden kann. Beispiele für Primärzellen sind folgende Stoffpaarungen: Zink-Kohle, Alkali-Mangan, Zink-Luft und Silberoxid. Die Entladung ist bei Primärzellen irreversibel und die Primärzelle kann elektrisch nicht mehr aufgeladen werden. Sie muss recycelt werden, was wirtschaftlich und umwelttechnisch umstritten ist.

• Sekundärzellen werden umgangssprachlich auch als Akkumulator oder kurz Akku bezeichnet. Nach einer Entladung können Sekundärzellen durch eine gegenüber der Entladung gegenläufigen Stromrichtung wieder neu aufgeladen werden. Die chemischen Prozesse in der Zelle laufen, begrenzt durch eine gewisse Zyklen Anzahl, reversibel ab. Die Spannung einer Zelle hängt vom Ladezustand und von den verwendeten Werkstoffen für Kathode, Elektrolyt und Anode ab. Beispiele findet der Leser in der Tabelle 2 am Ende. Eine Starterbatterie hält heute im Schnitt 6 Jahre, oft auch weniger. Sie wird dann recycelt. Bei einer Antriebsbatterie eines Elektroautos fehlen aktuell noch die Erfahrungswerte. Inzwischen schätzt man aber eine Laufzeit von ca. 200.000 Auto Kilometern. Das Recycling von Antriebsbatterien steckt derzeit noch in ihren Anfängen.

• Brennstoffzellen werden auch als Tertiärzellen bezeichnet. Bei diesen galvanischen Zellen wird der chemische Energieträger (Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂) nicht in der Zelle gespeichert, sondern von extern kontinuierlich zur Verfügung gestellt. Die externe Zuführung ermöglicht einen kontinuierlichen und im Prinzip zeitlich unbeschränkten Betrieb.

Tabelle 2 Beispiele für Sekundärzellen (Akkus)

Weiter geht es in Teil 3 über elektrochemische Vorgänge mit der Starterbatterie.

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