Ein Primärelement ist ein galvanisches Element, das nur einmal entladen werden kann. Ist der Vorrat an Reaktionspartnern verbraucht, ist die Zelle leer – die Reaktion lässt sich nicht sinnvoll umkehren. Im Alltag heißen Primärelemente „Batterien“, streng genommen ist eine Batterie aber eine Zusammenschaltung mehrerer Zellen, wie der 9-V-Block mit sechs Zellen im Inneren.
Alkali-Mangan: der Standard
Die meisten Mignon- (AA) und Micro-Zellen (AAA) im Handel sind Alkali-Mangan-Zellen. Ihr Minuspol ist ein Gel aus Zinkpulver und Kalilauge im Inneren, der Pluspol eine Schicht aus Mangandioxid (MnO2) innen am Stahlbecher. Ein Separator trennt beide, lässt aber Ionen durch.
Beim Entladen wird Zink oxidiert und Mangandioxid reduziert, vereinfacht:
Die Nennspannung beträgt 1,5 V, frisch sind es eher 1,6 V. Das feine Zinkpulver hat eine riesige Oberfläche, deshalb ist der Innenwiderstand klein und die Zelle verträgt auch höhere Ströme. Ihre Vorgängerin, die Zink-Kohle-Zelle (Leclanché-Element, auch Zink-Braunstein-Zelle), ist anders herum gebaut: Der Zinkbecher selbst ist der Minuspol. In der Mitte steckt ein Kohlestift, umhüllt von einer Masse aus Mangandioxid (Braunstein) – sie ist der eigentliche Pluspol, der Kohlestift leitet nur ab. Als Elektrolyt dient eine eingedickte Salmiak- oder Zinkchloridlösung. Die Zelle liefert ebenfalls 1,5 V, hat aber nur etwa ein Drittel bis die Hälfte der Kapazität und bricht unter Last schnell ein; als leer gilt sie meist bei rund 1,0 V.
Weil sich beim Entladen gerade der Becher auflöst, wird die Hülle mit der Zeit dünn und undicht – Zink-Kohle-Zellen laufen deutlich häufiger aus, und zwar auch ungenutzt in der Schublade, da sie sich spürbar selbst entladen. Bei der Alkali-Zelle sitzt das Zink dagegen innen, der Stahlbecher bleibt unversehrt. Sie hält mehr Ladung, verträgt höhere Ströme, lässt sich länger lagern und läuft seltener aus.
Lithium-Primärzellen
Lithium ist das unedelste Metall der Spannungsreihe und sehr leicht. Lithiumzellen erreichen deshalb hohe Spannungen und Energiedichten. Weil Lithium mit Wasser heftig reagiert, verwenden sie organische oder nichtwässrige Elektrolyte.
| Typ | Spannung | Typische Bauform | Stärken |
|---|---|---|---|
| Lithium-Mangandioxid | 3,0 V | Knopfzelle CR2032, CR123A | geringe Selbstentladung, flache Entladekurve |
| Lithium-Eisendisulfid | 1,5 V | AA, AAA | ersetzt Alkali-Zellen, leicht, kältefest |
| Lithium-Thionylchlorid | 3,6 V | AA-Format, Lötfahnen | 10 bis 20 Jahre Lagerzeit, für Zähler und Sensoren |
Weitere Systeme
- Zink-Luft (1,4 V): Der Sauerstoff für die Reaktion kommt aus der Luft durch kleine Löcher im Gehäuse. Weil er nicht in der Zelle gespeichert werden muss, ist die Energiedichte sehr hoch – typisch für Hörgerätebatterien. Nach dem Abziehen der Schutzfolie beginnt die Zelle unweigerlich zu altern.
- Silberoxid (1,55 V): sehr konstante Spannung bis kurz vor dem Ende, ideal für Uhren.
- Quecksilberoxid (1,35 V): Knopfzelle mit Zink als Minuspol und Kalilauge als Elektrolyt. Spannung und Innenwiderstand bleiben über die ganze Entladung fast konstant, deshalb steckte sie früher in Uhren, Hörgeräten, Kameras und als Spannungsreferenz in Messgeräten. Wegen des giftigen Quecksilbers ist sie in der EU seit Langem nicht mehr erlaubt; wo du sie noch findest, gehört sie in den Sondermüll.
Welche Größen und Bezeichnungen es gibt, zeigt Batteriegrößen im Vergleich.
Entladekurven lesen
Die Kapazität einer Batterie ist keine feste Zahl. Sie hängt vom Entladestrom, der Temperatur und der Entladeschlussspannung ab, bis zu der dein Gerät noch arbeitet.
Alkali-Zellen sinken während der Entladung kontinuierlich von 1,6 V auf etwa 0,9 V. Schaltet eine Schaltung schon bei 1,2 V pro Zelle ab, nutzt sie nur einen Teil der Kapazität. Lithiumzellen dagegen halten ihre Spannung fast bis zum Schluss und fallen dann steil ab – gut für die Elektronik, schlecht für eine Restladungsanzeige über die Spannung.
Bei hohem Strom sinkt die nutzbare Kapazität deutlich: Eine AA-Alkalizelle liefert bei 25 mA etwa 2500 mAh, bei 1 A oft weniger als die Hälfte.
Sicherheit und Entsorgung
Verschluckte Knopfzellen sind für Kinder lebensgefährlich: In der feuchten Speiseröhre fließt ein Strom, der durch Elektrolyse innerhalb von Stunden Lauge erzeugt und schwere Verätzungen verursacht. Geräte mit Knopfzellen brauchen deshalb ein gesichertes Batteriefach.
Batterien gehören in die Sammelbox, nicht in den Hausmüll – sie enthalten wiederverwertbare Metalle wie Zink, Mangan, Stahl und Lithium.
Selbsttest
Was unterscheidet ein Primärelement von einem Sekundärelement?
Ein Primärelement kann nur einmal entladen werden; ein Sekundärelement lässt sich wieder aufladen.
Welche Spannung hat eine CR2032?
3,0 V – sie ist eine Lithium-Mangandioxid-Zelle.
Warum liefert eine Alkali-Zelle bei hohem Strom weniger Kapazität?
Die Reaktionen und der Ionentransport kommen nicht nach; Innenwiderstand und Spannungseinbruch steigen, sodass die Entladeschlussspannung früher erreicht wird.