Batterie und Akku: bahnbrechende Erfindungen des 18. und 19. Jahrhunderts

Batterien und Akkus sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie halten Elektrogeräte am Laufen, auch wenn keine Steckdose in der Nähe ist. Mobiltelefone, Tablets und Laptops sowie einige medizinische Geräte sind damit an jedem Ort einsatzbereit. Taschenlampen und Stirnlampen ermöglichen in dunklen Umgebungen eine gute Orientierung. In Elektroautos sind leistungsstarke Akkus mit einer hohen Speicherkapazität unabdingbar.
Heute ist die Nutzung der praktischen Energiespeicher für uns in vielen Gebieten selbstverständlich und unverzichtbar. Doch wer hat sie eigentlich erfunden und wie lange gibt es sie schon?
Primärbatterie oder Akku: Welcher Energiespeicher wurde zuerst entwickelt?
Während eine Batterie nur einmal nutzbar ist, ist der Akku am Netzstrom beliebig oft wiederaufladbar und damit bedeutend umweltfreundlicher. Beide Energiespeicher bestehen aus galvanischen Elementen, also elektrochemischen Zellen, die Strom speichern und bei Bedarf nutzbar machen. Ihren Ursprung haben die Primärbatterien mit begrenzter Lebensdauer und die wiederaufladbaren Akkus im Italien und Deutschland des ausgehenden 18. und beginnenden 19. Jahrhunderts. Auch Ingenieure aus Grossbritannien, Schweden, Frankreich und den USA waren an ihrer Entwicklung massgeblich beteiligt. Den Anfang machte in Italien eine einfach aufgebaute, spannungstragende Säule, die im Laufe der Zeit weiterentwickelt wurde. Parallel setzte ein deutscher Physiker den Auftakt für die Entwicklung der heutigen, umweltfreundlicheren Akkumulatoren mit einer langen Lebensdauer.
Alessandro Volta: Erfinder der Batterie
Der aus Como, Norditalien, stammende Physiker Alessandro Volta ließ sich von der 1789 bahnbrechenden Entdeckung des Arztes und Naturforschers Luigi Galvani aus Bologna begeistern und inspirieren. Galvani hatte in Experimenten ein interessantes Phänomen entdeckt, das er sich zunächst nicht erklären konnte. Er hatte beobachtet, dass an einem Metallbalken hängende Froschschenkel zu zucken begannen, wenn er sie miteinander verband und mit Nadeln aus Kupfer und Eisen berührte.
Dieses Phänomen, das Luigi Galvani für eine nicht erklärbare tierische Elektrizität gehalten hatte, untersuchte Alessandro Volta genauer. Er erkannte, dass aus dem Zusammenspiel zwischen Kupfer, Eisen und der elektrolythaltigen Flüssigkeit in den Froschschenkeln ein Stromkreis entstand. Die Muskelzellen wirkten als Verbraucher im Stromkreis, weshalb sie sich bewegten. Die zufällige Entdeckung Luigi Galvanis bereitete den Weg für die Entwicklung der Batterie und des Akkus. Eine Verbindung aus Elektroden und einem Elektrolyt trägt in der Elektrochemie die Bezeichnung galvanisches Element.
Alessandro Volta machte sich im Jahr 1800 das galvanische Prinzip zunutze und kreierte eine Apparatur, mit der er elektrische Spannung erzeugte. Diese bestand aus übereinandergestapelten Schichten aus Kupfer- und Zinkscheiben, zwischen denen Filzstücke steckten, die mit einer Salzlösung getränkt waren. Zwischen den Metallscheiben entstanden aufgrund chemischer Prozesse elektrische Ladungen. Als Volta einen Draht an die Metallscheiben anschloss, floss Strom. Diese sogenannte Voltasche Säule war ein einfacher erster Vorläufer der Batterie. Voltas Entdeckung löste in der damaligen Zeit Anerkennung und Bewunderung aus und war der Grundstein für weitere technische Entwicklungen in diesem Bereich.
Daniell-Element und Leclanché-Zelle als Verbesserung der Voltaschen Säule
Der britische Chemiker John Frederic Daniell verbesserte 1836 die Voltasche Säule. Es gelang ihm mit einer Verbindung aus einer Kupferelektrode und einer Zinkelektrode, eine leistungsstärkere Primärbatterie zu entwickeln und den Stromfluss zu verbessern. Als Elektrolyte wirkten darin eine Kupfersulfat- und eine Zinksulfat-Lösung, die Daniell leitend miteinander verband. Die erzeugte Spannung war stabil und die Daniell-Zelle fand in einigen Bereichen der Technik, der Wissenschaft und Industrie Anwendung.
Dreissig Jahre später gelang dem französischen Ingenieur Georges Leclanché die Entwicklung einer Zelle mit einem Zinkstab und einem Kohlenstoffstab mit Manganoxid als Anode und Kathode. Umgeben waren die Elektroden von einer wässrigen Lösung aus Ammoniumchlorid zur Leitung der Ionen. So ausgestattet, lieferte das Leclanché-Element Strom innerhalb eines elektrischen Kreislaufs. Die neu entwickelte Primärbatterie war günstig in der Anschaffung und langlebig. Es erfolgte eine Weiterentwicklung zur Zink-Kohle-Batterie.
Batterietechnologie: erste Einsatzbereiche
Voltas Ur-Batterie war aufgrund ihrer sehr geringen Kapazität noch nicht ausgereift genug für den technischen Einsatz. Sie diente jedoch in der Wissenschaft als Basis zur Entwicklung neuer Technologien, die im 19. Jahrhundert revolutionären Charakter besassen. Die Voltasche Säule gab den Anstoss für Erfindungen zur Konstruktion von Elektromotoren und Telegrafen. Dem Amerikaner Samuel Morse gelang mit der Konstruktion eines Telegrafen 1837 eine beachtliche Umwälzung der Nachrichtenübermittlung. Das leistungsstärkere Daniell-Element diente in der Nachrichtentechnik dazu, elektrische Impulse über grosse Distanzen zu senden. Ihre Umwandlung in Nachrichten beim Empfänger stellte eine frühe Form der elektronischen Kommunikation dar.
Die aus dem Leclanché-Element entwickelte Zink-Kohle-Batterie eignete sich für zahlreiche Anwendungen im Haushalt und in der Freizeit. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts war sie eine weitverbreitete Batterieart zum Betrieb von Fernsteuerungen, Taschenrechnern, tragbaren Radios, Haushaltsgeräten und Taschenlampen.
Alessandro Volta, der Erfinder der Ur-Batterie, erlebte die bahnbrechenden technischen Neuerungen beim Einsatz der Batterien in den Nachrichtentechnologien selbst nicht mehr mit. Er war nämlich bereits 1827 in seiner Geburtsstadt Como verstorben. Allerdings ist bis heute das nach ihm benannte Volt die Maßeinheit für die elektrische Spannung.
Erfindung des Akkumulators durch Johann Wilhelm Ritter
Den Anstoss für die Entwicklung der wiederaufladbaren Akkumulatoren gab eine Erfindung des deutschen Physikers und Philosophen Johann Wilhelm Ritter. 1802, also bereits zwei Jahre nach der Erfindung der Ur-Batterie durch Alessandro Volta, entwickelte Ritter den Vorläufer der heutigen wiederaufladbaren Akkumulatoren.
Seine Rittersche Ladungssäule unterschied sich optisch kaum von der Voltaschen Säule. Jedoch verwandte Johann Wilhelm Ritter nur Kupferscheiben und keine Platten aus Zink. Da er mit einer derartigen Konstruktion alleine keine Spannung erzeugen konnte, verband er seine Konstruktion mit der Voltaschen Säule. Dadurch veränderten sich die Eigenschaften der Kupferscheiben dergestalt, dass sie selbst elektrische Spannung trugen. Nach der Abkoppelung von der Voltaschen Säule hatte die Rittersche Ladungssäule Strom gespeichert, der für technische Anwendungen nutzbar war. Eine Aufladung war bei Bedarf möglich. Das von Ritter entwickelte Prinzip blieb bis heute in modernen Akkumulatoren in seinen Grundzügen erhalten.
Weiterentwicklungen in der Akku-Technologie: vom Blei-Akku zum Lithium-Ionen-Akku
Ebenso wie Voltas erste Batterie hatte auch Ritters Ladungssäule einige Schwächen, die es durch technische Neuerungen zu überwinden galt. Der ursprüngliche Akkumulator war zu gross und speicherte Energie nur kurzzeitig. Auch liess er sich nicht allzu oft neu aufladen.
Blei-Akku als erster Fortschritt
Dem Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden gelang 1850 ein Fortschritt mit der Entwicklung des Blei-Akkus. Aufgebaut war er aus zwei Bleiplatten, die in verdünnte Schwefelsäure getaucht waren. Nach einer wiederholten Auf- und Entladung an einer Spannungsquelle verfügte der Blei-Akku über eine höhere Kapazität. Weitere Verbesserungen gelangen in den Folgejahren den französischen Forschern Gaston Planté und Camille Alphonse Faure. Planté ordnete die Bleiplatten spiralförmig an, Faure versah sie mit einer Beschichtung aus Bleipulver und Schwefel. Beide Massnahmen trugen zu einer weiteren Erhöhung der Speicherkapazität des Akkus bei.
Nickel-Cadmium-Akku mit erhöhter Leistungsfähigkeit
Ende des 19. Jahrhunderts löste zunächst der Nickel-Eisen-Akku und nachfolgend der Nickel-Cadmium-Akku den Blei-Akku ab. An der Entwicklung der neuen Akku-Systeme waren Thomas Alva Edison und der Schwede Waldemar Jungner unabhängig voneinander beteiligt. Die Ingenieure verwendeten erstmals keine Säure als Elektrolyt, sondern eine alkalische Lauge. Dieser chemische Aufbau ist heute noch bei Alkaline-Batterien und Alkaline-Akkus gängig.
Die industrielle Fertigung der Nickel-Cadmium-Akkus begann in Schweden 1910. Diese Art des Akkumulators blieb über acht Jahrzehnte hinweg der meistverwendete Stromspeicher. Er zeichnete sich durch eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit als seine Vorläufer aus, besass jedoch den Nachteil einer hohen Giftigkeit. Daher wurde der Nickel-Cadmium-Akku durch den umweltverträglicheren Nickel-Metallhybrid-Akku abgelöst.
Aktueller Stand der Technik: Lithium-Ionen-Akku
Bis heute gebräuchlich ist der Lithium-Ionen-Akku, den der japanische Elektrokonzern Sony 1991 erstmals in einer Videokamera auf den Markt brachte. Aufgebaut ist der Lithium-Ionen-Akku aus mehreren galvanischen Einzelzellen mit jeweils einer Kathode aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid und einer Anode aus Graphit, einem Elektrolyt und einem Separator. Die Zellen sind parallel oder in Serie geschaltet und von einem Gehäuse umgeben. Lithium-Ionen-Akkus besitzen eine hohe Speicherkapazität und Energiedichte. Die lange Lebensdauer von bis zu 15 Jahren ist bemerkenswert.
Chronologie der Anwendung von Akkumulatoren
Nach der Erfindung des elektrischen Generators durch Werner von Siemens 1866 kamen Blei-Akkus verstärkt zum Einsatz. Sie dienten als Speicher für die hohen erzeugten Energiemengen. Der Unternehmer Adolph Müller aus Hagen gründete 1887 eine Akkumulatorenfabrik, den Vorläufer des späteren Varta-Konzerns. Daneben nutzen AEG und Siemens die Chance, sich auf dem neu entstehenden Markt mit einer Serienproduktion der Blei-Akkus zu etablieren.
Die damals revolutionären Energieträger brachten Veränderungen im öffentlichen Nahverkehr mit sich. Straßenbahnen wurden unabhängig von den Oberleitungen, und die Preussische Staatsbahn ersetzte ihre Antriebswagen durch Akkutriebwagen.
Nickel-Eisen- und Nickel-Cadmium-Akkus waren bis zum Aufkommen der Lithium-Ionen-Akkus gängig in Camcordern, Elektrowerkzeugen und Haushaltsgeräten wie Staubsaugern. Offene Nickel-Cadmium-Batterien und -Akkus finden Verwendung in Anlagen, die auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen sind. Darunter fallen etwa Notbeleuchtungsanlagen sowie eine Notstromversorgung und die Starterbatterie in Luftfahrzeugen. 2004 trat in Deutschland ein gesetzliches Verbot für die private Nutzung von Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Cadmium-Akkus in Kraft, um den Einsatz des umwelt- und gesundheitsschädlichen Cadmiums zu begrenzen.
Heute ist der Lithium-Ionen-Akku in Handy, Laptops und digitalen Kameras längst Standard. Im Elektroauto sind der Lithium-Ionen-Akku und der Lithium-Polymer-Akku mit Elektrolyten in Form einer festen oder gelartigen Polymerfolie gute Lösungen. Sie besitzen eine hohe Speicherkapazität und haben gleichzeitig ein geringes Gewicht. Trotz aller Vorteile dieser Akkuart ist auch ihr Einsatz nicht ganz problemlos für die Umwelt. Der Abbau des Lithiums ist energieintensiv und geht mit einer Zerstörung von Landschaften einher. Bei der Anwendung der Lithium-Ionen-Akkus besteht die Gefahr von Kurzschlüssen, Explosionen und Bränden durch Überhitzung.