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Donnerstag, Mai 23, 2024

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Knopfzelle – kleine Powerpakete liefern Strom

Kaum ein elektronisches Gerät kommt ohne die kleinen knopfförmigen Batterien aus. Doch was ist das Besondere an den silbrigen Knöpfen? Wie unterscheiden sie sich untereinander und was grenzt sie gegen Batterien ab.

Kennzeichen der Zellen

Die Zellen haben eine Gemeinsamkeit durch die sie sich von Batterien unterscheiden. Ihr Durchmesser ist größer als die Höhe. Sie ähneln im Aussehen einem Knopf, daher der Name Knopfzelle.

Die kleinen Knöpfe können keine großen Strommengen speichern, sie sind daher nur für bestimmte Einsatzgebiete geeignet. Sie kommen überall dort um Einsatz, wo nur geringe Strommengen erforderlich sind. Sie versorgen Taschenrechner, Hörgeräte und elektronische Speicherbausteine (Static random-access memory; SRAM) mit Spannung.

Prinzip der Mini-Batterien

In Batterien entsteht Strom durch chemische Prozesse. In dieser Hinsicht unterscheiden sich Knopfzellen nicht von herkömmlichen Batterien. In den Zellen befinden sich zwei verschiedene chemische Stoffe, von denen einer Elektronen abgibt und der andere, welche aufnimmt.

Je nach verwendetem Material befindet sich zwischen den beiden Stoffen ein Separator. Dieser verhindert, dass sich die Stoffe berühren, lässt aber Ionen

durch. So entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Substanzen. Auf einer Seite des Separators entsteht ein Plus- oder anderen ein Minuspol. Sobald

die beiden beiden Pole verbunden werden, fließt Strom. Die Typen Zink-Luft- und Manganzellen enthalten keinen Separator.

Anmerkung: Bei Batterien heißt der Pluspol auch Kathode, der Minuspol ist die Anode.

Knopfzellen bestehen äußerlich aus einem Edelstahlbecher, in dem eine der beiden Substanzen liegt und einem Deckel, der durch den Separator getrennt ist und in welchem der andere Stoff eingebettet ist.

Zusammenhang zwischen Aufbau, Spannung und Stärke

Die Spannung, welche eine Knopfzelle liefert hängt von den beiden Substanzen ab, die chemische Prozesse auslösen. Die geringste Spannung erzeugen Quecksilberoxid-Zink-Zellen (1,35 V) die Stärkste Zellen, die auf Lithium basieren (3 V).

Die Kapazität hängt von der Menge des verwendeten Materials ab. Kleine Zellen enthalten daher eine geringere Strommenge als große Knopfbatterien. Die Ladungsmenge wird in Milliamperestunden (mAh) angegeben.

Da Abmessungen und das verwendete Material ausschlaggebend sind, bedeuten gleiche Größen nicht notwendigerweise identische Knopfzellen. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Batterien.

Knopfzellen gleicher Größe sind daher nicht grundsätzlich kompatibel. Es ist außerdem auf die Angaben über die Art der Zellen zu achten. Die Hersteller kennzeichnen die Produkte durch verschiedene Bezeichnung. Es gibt MR, PR, LR, SR, CR und BR Knopfzellen. Die Buchstaben M, P, L, S, C und B beziehen sich auf die chemische Zusammensetzung. R steht für Rundzelle.

Die genaue Größe ist durch eine zusätzliche Ziffernfolge gekennzeichnet. Die ersten beiden Ziffern hinter den Buchstaben LR, SR, CR oder BR beziehen sich auf den Durchmesser in Millimeter, die beiden folgenden Ziffern auf die Dicke in Zehntelmillimetern. Eine LR1154 hat also einen Durchmesser von 11,6 Millimetern und eine Höhe von 5,4 Millimetern.

Die Quecksilberoxid-Zink-Zellen im Detail

Die Zellen erzeugen 1,35 V. Zinkpulver erzeugt den Minuspol und Quecksilberoxid den Pluspol. Als Elektrolyt ist eine geleeartige Masse aus Kaliumhydroxid in den Batterien enthalten. Dieser Batterietyp versorgt Geräte lange mit einer gleichmäßigen Spannung. Diese bricht plötzlich am Ende der Lebensdauer ab. Der Typ wird heute mit MR bezeichnet, früher stand häufig PX auf den Silberknöpfen. Wegen des giftigen Quecksilbers sind diese Batterien kaum noch im Handel. Modelle, die mehr als 2 % Quecksilber enthalten, werden nicht mehr hergestellt. In der EU sind alle Batterien, die Quecksilber enthalten, seit

Herbst 2015 verboten.

Informationen zur Zink-Luft-Zelle

Knopfzellen, die mit PR gekennzeichnet sind, erzeugen etwas mehr Spannung als Quecksilberoxid-Zink-Zellen, nämlich 1,4 V. Die Anode (Minuspol) besteht aus Zink, die Kathode (Pluspol) aus Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist. Die

Zellen haben eine hohe Energiedichte und geben eine konstante Spannung ab, die erst drastisch abnimmt, wenn die Kapazität erschöpft ist.

Die Selbstentladung ist recht gering. Solange der kleine farbige Aufkleber die Zelle vor Luft schützt, beträgt diese nur 3% pro Jahr. Der Prozess der Stromerzeugung kommt erst in Gang, wenn der Verbraucher das Siegel entfernt. Sobald der Lufteintritt möglich ist, verbrauchen sich die Zellen sehr schnell. Diese Batterien sind hauptsächlich in Hörgeräten im Einsatz.

Einzelheiten zu Alkali-Mangan-Zellen

Die an den Buchstaben LR zu erkennenden Zellen geben eine Spannung von 1,5 V ab. Sie werden auch als Alkaline bezeichnet und unterscheiden sich chemisch nicht

von großen Batterien die eine Anode aus Mangandioxid und eine Kathode aus Zink haben. Als Elektrolyt dient konzentrierte Kalilauge. Bei diesen Batterien nimmt

die Spannung konstant ab.

Da es sich um preisgünstige Zellen handelt, sind Sie weit verbreitet. Die

Knopfzellen kommen in Taschenrechnern und LED-Taschenlampen zum Einsatz, also in Geräten, bei denen eine konstante Spannung nicht von großer Bedeutung ist.

Wissenswertes zur Silberoxid-Zink-Zelle

Diese Zellen tragen die Bezeichnung SR und geben 1,55 V Spannung ab. Der Minuspol besteht aus Silber(I)-oxid, der Pluspol aus Zink. Der Elektrolyt ist verdünnte Kali- oder Natronlauge. Die Zellen zeichnen sich durch eine lange gleichmäßige Spannungsabgabe aus.

Der verwendete Elektrolyt hat Auswirkungen auf die Belastbarkeit. Zellen mit Natronlauge sind für eine geringe Belastung ausgelegt (Low-Drain). Dieser Typ ist für Uhren geeignet. Kalilauge ermöglicht eine hohe Belastung (High-Drain), wie sie in Fotoapparaten oder in Fernsteuerungen vorkommt.

Informationen über Lithium-Mangandioxid-Zelle

Die Bezeichnung für diese Knopfzellen ist CR. Sie geben einen hohe Spannung von 3 V ab. Der Minuspol besteht aus metallischem Lithium, während der Pluspol aus wärmebehandeltem Mangandioxid aufgebaut ist. Die Kathode ist eine Paste aus Mangandioxid-Pulver, einem Bindemittel und einem Stoff, der die Leitfähigkeit erhöht.

Diese Zellen haben in der Regel einen großen Durchmesser und sind in vielen Geräten der unterschiedlichsten Art verbaut. Derzeit sind die Knopfzellen am weitesten verbreitet.

High-Tec in Knopfform die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Zelle

Die sogenannten BR-Zellen, haben Lithium als Anode und eine Kathode aus Graphitfluorid. Die Zellen zeichnen sich durch eine geringe Selbstentladung eine Leerlaufspannung von 3,0 V und eine Lastspannung 2,6 V aus. Die Energiedichte beträgt 400 mWh/cm‘.

Diese Batterien kommen in Herzschrittmachern und in der Raumfahrt zum Einsatz. Beide Einsatzfelder benötigen langlebige und zuverlässige sowie kleine

Batterien.

Die kleinen Minibatterien sind erstaunliche Entwicklungen der Technik. Der nächste Schritt sind aufladbare Akkus in den gängigen Abmessungen. Derzeit sind schon Nickel-Cadmium-Akkus und Nickel-Metallhydrid-Akkus mit 1,2 Volt im Einsatz sowie aufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren in Uhren. Nickel-Cadmium-Zellen sind wegen ihrer Giftigkeit in Europa allerdings

verboten.

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