mini|hochkant=0.6|Handelsübliche Batterien und Zellen

Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Ein Akkumulator ist eine wiederaufladbare Batterie. Die jeweilige Spannung resultiert aus der Differenz zwischen den beiden unterschiedlichen Redoxpotentialen der Elektroden.

Im Gegensatz zur Batterie speichert ein Kondensator elektrische Energie in einem elektrischen Feld, wodurch er wesentlich schneller aufgeladen und entladen werden kann, aber nicht in der Lage ist, die Spannung während der Entladung konstant zu halten. Hybrid- bzw. Superkondensatoren können die elektrische Energie sowohl statisch als auch auf chemische Weise im Rahmen einer reversiblen Redoxreaktion speichern.

Begriff Der Begriff „Batterie“ ist aus dem Sprachgebrauch des Militärs entnommen, wo es eine Zusammenstellung mehrerer Geschütze bedeutet. Analog dazu wurde eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen mit diesem Begriff belegt.

Ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts dehnte sich die Verwendung des Begriffs „Batterie“ auch auf einzelne Primärzellen oder Sekundärzellen aus. Der geschilderte Wandel des Sprachgebrauchs wurde in der DIN-Norm 40729 Akkumulatoren; Galvanische Sekundärelemente; Grundbegriffe angesprochen, die zunächst unter Batterie „immer mehrere verbundene Zellen“ verstand, wobei diese Begrifflichkeit sich bei der alltäglichen „Unterscheidung jedoch verwischt“ habe.Dirk Flottmann, Detlev Forst, Helmut Roßwag: Chemie für Ingenieure: Grundlagen und Praxisbeispiele. Springer, 2003, ISBN 3-540-06513-X, S. 225.

miniatur|Eine Auswahl an vergleichsweise kleinen Batterien mit unterschiedlichen Abmaßen

„Batterie“ ist heute sowohl der Oberbegriff für Energiespeicher als auch im engeren Sinne die Bezeichnung für eine Primärbatterie (auch Primärelemente genannt), die nicht wiederaufladbar ist. Aufladbare Batterien werden Sekundärbatterie oder landläufig Akkumulator (kurz Akku) genannt.

Man unterscheidet (in Deutschland) nach dem Batteriegesetz (BattG) weiter: Starterbatterien, die für die Zündung, das Anlassen (Starten) und die Beleuchtung von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Diese Batterien sind sehr häufig Blei-Säure-Batterien (Blei-Säure-Akkumulatoren). Industriebatterien, die im Gewerbe, der Landwirtschaft sowie für den Antrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen genutzt werden (Antriebsbatterien) und ebenso für stationäre, ortsfeste Anwendungen wie beispielsweise unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Diese Batterien sind immer Akkumulatoren (Sekundär-Batterien). Gerätebatterien, die zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte dienen, beispielsweise von Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen u. ä., aber auch von fest installierten Geräten wie z. B. Rauchmeldern. Meistens kommen Standardbauformen zum Einsatz. Diese Batterien sind nicht wiederaufladbar (Primär-Batterien).Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch robust sein. Bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät dürfen sie weder auslaufen noch ausgasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle oder Alkali-Mangan im Handel erhältlich. Zink-Kohle-Batterien werden seit den 2000er Jahren immer seltener angeboten und heute kaum noch hergestellt.

Geschichte mini|Batterien historischer galvanischer Zellen

Als Batterien gedeutete antike Gefäßanordnungen wie die „Bagdad-Batterie“ hätten durch ein Zusammenspiel von Kupfer, Eisen und Säure eine elektrische Spannung von circa 0,8 V erzeugen können. Ob diese Gefäße zum damaligen Zeitpunkt vor etwa 2.000 Jahren als Batterien im heutigen Sinn verwendet wurden, ist umstritten und konnte nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

mini|links|Video: Entdeckung von Galvani und Volta Im Jahr 1780 bemerkte der italienische Arzt Luigi Galvani, dass ein Froschbein, das in Kontakt mit Kupfer und Eisen kam, immer wieder zuckte, und hielt das für eine elektrische Wirkung. Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der Voltaschen Säule im Jahr 1800 von Alessandro Volta erfunden. Es folgten in den Folgejahren konstruktive Verbesserungen wie die Trog-Batterie von William Cruickshank, die den Nachteil des vertikalen Aufbaus der Voltaschen Säule vermied. 1803 folgte durch Johann Wilhelm Ritter, Begründer der Elektrochemie und Erstbeschreiber des Prinzips der Batterie schon vor 1800 durch Volta, mit der Ritterschen Säule der erste Akkumulator, kurz Akku. Historisch wird zwischen Trockenbatterien – mit festem oder gelartigem Elektrolyt – und den heute nicht mehr gebräuchlichen Nassbatterien – mit flüssigem Elektrolyt – unterschieden.

Zu den historischen Nassbatterien, die nur in bestimmter Lage betrieben werden können, zählen das Daniell-Element von John Frederic Daniell aus dem Jahre 1836 und die verschiedenen Variationen und Bauformen in Form der Gravity-Daniell-Elemente, das Chromsäure-Element von Johann Christian Poggendorff aus dem Jahre 1842, das Grove-Element von William Robert Grove aus dem Jahre 1844 und das Leclanché-Element von Georges Leclanché aus dem Jahr 1866. Einsatzbereich dieser galvanischen Nasszellen war primär die Stromversorgung der drahtgebundenen Telegrafiestationen, denn ein Stromnetz gab es noch nicht. Aus dem Leclanché-Element gingen über mehrere Entwicklungsschritte die noch heute üblichen lageunabhängigen Trockenbatterien hervor. Erste Arbeiten dazu stammen von Carl Gassner, der die Trockenbatterie im Jahre 1887 patentieren ließ. Im Jahr 1901 setzte Paul Schmidt in Berlin erstmals die Trockenbatterie bei Taschenlampen ein.

Kommerziell am bedeutendsten sind heutzutage Sekundärbatterien, darunter spielen der Blei-Säure-Akkumulator und der Lithium-Ionen-Akkumulator die größte Rolle. Aufgrund der geringen Kosten und geringeren Selbstentladung werden Primärbatterien weiterhin für viele kleinere Geräte wie Taschenlampen und Uhren eingesetzt. Unter den Primärbatterien hat die Alkali-Mangan-Zelle den größten Anteil.

Grundlagen mini|Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener Primärzellen als Funktion der Temperatur mini|Batterietester zur Abschätzung der Restkapazität

Eine Batterie ist eine elektrische oder galvanische Zelle und somit ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden. Alternativ kann sie auch in einem vom Stromnetz abhängigen Verbraucher eingesetzt werden, um kurzzeitige Netzausfälle zu überbrücken und so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen.

Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In manchen Zellen sind die bei der Entladung ablaufenden chemischen Reaktionen teilweise umkehrbar. Der Energiegehalt des Neuzustands kann bei Primärbatterien nicht wiederhergestellt werden, während dies bei wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) mehrere hundert Male annähernd möglich ist. Abweichend von der grundsätzlichen Systematik werden wiederaufladbare alkalische Zellen manchmal dennoch zu den Primärzellen gezählt.

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest, die Menge der Materialien die enthaltene Energie.

Wichtige Begriffe in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften einer Batteriezelle sind:

Kapazität Als Kapazität wird die in einer Batterie gespeicherte elektrische Ladung bezeichnet, die nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität ist. Die Kapazität einer Batterie wird in der Dimension der elektrischen Ladung in Amperestunden (Einheitenzeichen: Ah), oder seltener in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) angegeben. Energieinhalt Als Energieinhalt wird die in einer Batterie gespeicherte Energie (elektrische Arbeit) bezeichnet. Umgangssprachlich wird der Energieinhalt auch als Kapazität bezeichnet. Die physikalische Einheit des Energieinhalts ist die Wattsekunde oder Joule (J; 1 Ws entspricht 1 J). Die spezifische Energie, also die Energie pro Masse oder pro Volumen, ist jedoch eine typische Kenngröße von Batteriesystemen und oftmals in Datenblättern der Hersteller angeführt. Eine Einschätzung je nach Typ geben Diagramme vergleichender Energieangaben (siehe Diagramm). Die spezifische Energieeinheit ist Ws/m³ oder Ws/kg (entspricht J/m³ oder J/kg). Leistung Die Leistung einer Batterie/Batteriezelle ist die elektrische Energie, die in einer Zeitspanne entnommen wird, bezogen auf diese Zeitspanne. Sie wird in Watt (W) angegeben und ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung. Selbstentladung Alle galvanischen Zellen unterliegen bei Lagerung einer Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.

Ladestrom Der Ladestrom bezeichnet die Stromstärke, mit der ein Akku geladen wird. Er wird als absoluter Wert in Ampere angegeben. Vielfach wird der Strom für das Laden und auch für das Entladen im Verhältnis zur Kapazität des Akkus in Amperestunden (Ah) angegeben, um so die Belastung des Akkus zu beschreiben (siehe auch Peukert-Gleichung). Ein Akku mit einer Kapazität von einer Amperestunde, der mit einem Ladestrom von zwei Ampere geladen wird, wird mit einer Laderate von 2C geladen, also dem Zweifachen der Kapazität.

Die schwächste Zelle bestimmt die Qualität einer Batterie. In einer Reihenschaltung bricht die Spannung unter Last eher zusammen, weil stärkere, noch geladene Zellen Strom durch schwächere, schon entladene Zellen treiben, an denen dann bereits ein Teil der Spannung abfällt. Deren erhöhter Innenwiderstand führt nach dem Ohmschen Gesetz zu einer Zellerwärmung, ohne dass die elektrische Energie nutzbar ist.

Rechtliche Aspekte Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2023/1542 über Batterien und Altbatterien wird das Batteriegesetz durch das Batterierecht-EU-Anpassungsgesetz (kurz Batterierecht-Durchführungsgesetz, BattDG), am 18. August 2025, ersetzt. In der Verordnung sind alle Bestimmungen enthalten, die in der EU für Batterien und Altbatterien gültig sind. So wird eine CE-Kennzeichnung sowie weitere Kennzeichnungen gefordert.

Typen Aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in vielen Typen. Diese werden unterschieden beispielsweise nach chemischer Zusammensetzung nach Baugröße / Bauform nach elektrischen Kenngrößen (Spannung, Kapazität …)

Nach chemischer Zusammensetzung mini|hochkant=0.5|Schaltzeichen einer galvanischen Zelle (Primärzelle oder Akkumulator)

Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet:

Standardbatterien (Basis: Zink-Mangan) Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 V Nennspannung pro Zelle Zinkchlorid-Batterie; 1,5 V pro Zelle (nahezu vollständig durch Alkali-Mangan-Batterie ersetzt) Zink-Kohle-Batterie; 1,5 V pro Zelle (in Europa nahezu vollständig durch Alkali-Mangan-Batterie ersetzt, abgesehen von einigen größeren Bauformen wie z. B. Laternenbatterien) Spezialbatterien Zink-Luft-Batterie; 1,4 V pro Zelle Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 V pro Zelle Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 V pro Zelle Nickel-Oxyhydroxid-Batterie; 1,7 V pro Zelle Lithiumbatterien; je nach Kathodenmaterial 1,8 V (FeS2) bis 3,7 V (SOCl2) Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 V pro Zelle Aluminium-Luft-Batterie; 1,2 V pro Zelle Biobatterie auf Basis Magnesium/NaCl/Eisen+Molybdän+Wolfram, im Körper zersetzlich Historische Batterien Edison-Lalande-Element; 0,75 V pro Element Darüber hinaus werden im experimentellen Bereich und zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der zugrunde liegenden chemischen Redoxreaktion recht exotische galvanische Zellen eingesetzt, zum Beispiel Zitronenzellen.

Nach Baugröße / Bauform