mini|Verschiedene Bauformen von Zink-Kohle-Zellen Die Zink-Kohle-Zelle oder Zink-Kohle-Element, allgemeinsprachlich oft auch als Zink-Kohle-Batterie oder Zink-Kohle-Trockenbatterie bezeichnet, ist als galvanisches Element ein chemischer Energiespeicher zur Abgabe von elektrischer Energie. Die Zink-Kohle-Zelle ist eine Variante der Zink-Braunstein-Zellen und stellt eine Weiterentwicklung des historischen Leclanché-Elementes dar.
Allgemeines Die Zink-Kohle-Zelle zählt zu den Primärelementen, da sie, anders als Akkumulatoren, nicht wiederaufladbar ist. Sie ist vor allem für Anwendung mit kleinen bis mittleren Entladeströmen geeignet und war aus Kostengründen in den 1970/1980er-Jahre in verschiedenen Baugrößen der dominante Batterietyp. Aufgrund technischer Nachteile, wie vergleichsweise hohe Selbstentladung und das Problem des Auslaufens gegen Ende der Nutzungsdauer, setzte sich in Regionen wie Nordamerika und Westeuropa die etwas teureren, elektrisch gleichwertigen aber in Punkten wie Auslaufsicherheit verbesserten Alkali-Mangan-Zellen verstärkt durch. So betrug Anfang der 2000er Jahre der Marktanteil klassischer Zink-Kohle-Zellen, bezogen auf den gesamten Markt von Primärelementen, in den USA knapp 7 %, gefolgt von rund 20 % in Westeuropa. Hingegen in Lateinamerika betrug der Marktanteil um die Jahrtausendwende um die 65 % und in Fernostasien um die 45 %, primär aus Kostengründen.
Dem Kostenvorteil steht der Nachteil der relativ hohen Selbstentladung und das Auslaufen der Zelle gegen Ende der Nutzungsdauer gegenüber. Zur Reduktion der Selbstentladung wurde historisch und vor Inkrafttreten von verschiedenen Verwendungsverboten wie den RoHS-Richtlinien in der EU, das Zink mit Quecksilber oder Quecksilber(II)-chlorid beschichtet, um ein Amalgam zu bilden. Seit dem Verbot zum Einsatz von Quecksilber in bestimmten Regionen der Welt müssen Batteriehersteller, um eine in etwa gleich gute Qualität der Zelle gewährleisten zu können, hochreines Zink mit einer Reinheit von 99,99 % und zusätzliche Stoffe in geringen Mengen wie Gallium, Indium und Bismut einsetzen. Dies steigert den Preis der Zellen.
Die Zink-Kohle-Zelle liefert, ident wie eine Alkali-Mangan-Zelle, eine elektrische Spannung von etwa 1,5 Volt. Durch Anordnung mehrerer Zellen in einem gemeinsamen Gehäuse in Reihenschaltung zu einer Batterie kann die verfügbare Klemmenspannung erhöht werden. Gebräuchlich sind noch Typen mit 4,5 V (3R12, „Flachbatterie“), 6 V (4R25, „Laternenbatterie“) oder 9 V (6F22, „9-Volt-Blockbatterie“). Auch in den kleineren und weiter verbreiteten Baugrößen AAA, AA, C und D sind sie wegen ihres im Vergleich zu Alkaline geringeren Preises in der EU vereinzelt erhältlich.
Aufbau miniatur|hochkant=1.8|Zink-Kohle-Zelle im Schnitt Das Zink-Kohle-Element besteht aus einem Becher aus Zink (negativer Pol, Anode) und Mangandioxidpulver (Braunstein) als positivem Pol (Kathode) sowie einem zentrischen Stab aus Graphit zur Kontaktierung des Mangandioxids mit metallischer Kappe als elektrische Zuleitung. Als Elektrolyt wird eine 20-prozentige Ammoniumchloridlösung eingesetzt. Der elektrische Verbraucher wird zwischen die beiden Elektroden geschaltet.
Der Zinkbecher, der den Elektrolyten und den „Braunstein“ umschließt, stellt die Anode dar, welche durch die Entladung chemisch zersetzt wird. Bei entladenen Batterien ist der Zinkbecher nahezu aufgebraucht und die chemischen Substanzen können „ausrinnen“. Manche Zink-Kohle-Zellen besaßen als äußere Ummantelung lediglich eine Papphülse, welche das austretende Elektrolyt nur teilweise aufnimmt. Eine gewickelte Metall-Ummantelung kann die mechanische Stabilität der Zelle sowie durch eine Kunststoff-Folie unter dem Metall-Mantel die Auslaufsicherheit der Zelle erhöhen, verteuert aber die Zelle. Der Graphitstift in der Mitte der Braunsteinummantelung ist als positiver Außenkontakt der Zelle zur besseren Kontaktierung etwas herausgezogen und mit einer Metallkappe versehen.Batterietypen: So entsteht der Strom für unterwegs. In: test.de 02/2006. Stiftung Warentest – mehrfarbiges Schnittbild zum Vergleich von „Zink-Kohle-Batterie“=Zink-Braunstein-Zelle und Alkali-Mangan-Batterie, abgerufen am 7. August 2012.
Alkali-Mangan-Zellen sind von Zink-Kohle-Zellen durch die Anordnung der Elektroden unterscheidbar: Bei Alkali-Mangan-Zellen in Rundbauform befindet sich der metallische Außenmantel, die Fläche unterhalb der für Herstellerbeschriftungen genutzten Kunststofffolie, auf positiven Potential. Bei Zink-Kohle-Zellen ist der Zylindermantel auf negativen Potential.
Probleme mini|Mehrere verschieden tief entladene Zink-Kohle-Zellen. Deutlich erkennbar die chemische Zersetzung des Zinkbechers bei Tiefentladung (rechts) Zink-Kohle-Zellen sind preiswerter als Alkali-Mangan-Zellen herstellbar, aber in den technischen Daten schlechter. Das Hauptproblem der Zink-Kohle-Zelle ist das Auslaufen am Ende der Nutzungsdauer. Mitgelieferte Batterien im Bereich der Unterhaltungselektronik aus Fernost, beispielsweise für Infrarotfernsteuerungen, sind daher aus Preisgründen manchmal ab Herstellungswerk mit Zink-Kohle-Batterien bestückt.
Die wesentlichen Probleme der Zink-Kohle-Zelle sind: Zink-Kohle-Zellen sind prinzipiell nicht auslaufsicher (), die Zink-Elektrode liegt außen und wird bei Entladung bzw. Selbstentladung zerfressen. Auslaufender Elektrolyt zerstört häufig Batteriekontakte und Leiterplatten. Aus diesem Grund soll man Zellen dieses Typs nicht in Geräten verwenden, in denen sie länger verbleiben, da durch die Selbstentladung die Auslaufgefahr weiter erhöht wird. Zusätzlich besteht beim Entfernen der verbrauchten Batterie ein Verletzungsrisiko: Der Kontakt des ausgelaufenen Elektrolyts mit den Fingern und anschließendes – versehentliches – Berühren von Augen oder Schleimhaut kann zu Verätzungen führen. Wie bei dem historischen Leclanché-Element besteht das Problem, dass ein Zinkkomplex (Diamminzinkchlorid, [Zn(NH3)2]Cl2) ausfällt. Dieser schwerlösliche Komplex setzt sich an den Elektroden des Elementes ab, wodurch sich der elektrische Widerstand erhöht, sodass in der Folge die lieferbare Maximal-Leistung schnell absinkt. Die Selbstentladung von quecksilberfreien Zink-Kohle-Zellen ist um etwa eine Größenordnung höher als die von Alkali-Mangan-Zellen, was diese für sporadisch genutzte Geräte oder zur Vorratshaltung unbrauchbar macht. Durch die bei der Nutzung schnell absinkende Anfangsspannung und die geringe Strombelastbarkeit ist die Zink-Kohle-Zelle wie auch Alkalizellen für Hochstromanwendungen ungeeignet.
Reaktion (Entladungen) mini|hochkant=1.8|Verlauf der Zellspannung verschiedener Zink-Kohle-Zellen bei Entladung an Raumtemperatur an einem 150 Ω Widerstand. (ca. 10 mA Entladestrom) Minuspol (Anode):
Pluspol (Kathode):
Nachlieferung der nötigen Oxonium-Ionen aus dem Ammoniumchlorid-Elektrolyten:
Die entstandenen Ammoniakmoleküle werden von dem Zinkionen-Komplex gebunden:
Die Reaktion dieses Komplexes mit den Chloridionen aus dem Ammoniumchlorid:
Gesamtgleichung:
Entsorgung Zink-Kohle-Batterien müssen in Deutschland, Österreich, Italien und der Schweiz, wie auch andere Batterien, fachgerecht entsorgt werden. Batterien verkaufende Einzelhandelsgeschäfte, viele Recyclinghöfe und Supermärkte haben zu diesem Zweck Sammelbehälter aufgestellt.Bundesamt für Umwelt BAFU: Batterien, abgerufen am 28. Oktober 2020.
Literatur
Weblinks
Einzelnachweise
Kategorie:Primärbatterie Kategorie:Zink