elektrochemische Elemente

elektrochemische Elemẹnte,

 

aus galvanischen Ketten bestehende Stromquellen, in denen chemische Energie durch elektrochemische Reaktionen direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Sie sind im Prinzip zellenartige Anordnungen, in denen zwei Elektroden (Anode und Kathode) in einen Elektrolyten eintauchen oder (bei festen Elektrolyten) in ihm eingebettet sind; meist ist das Zelleninnere durch ein Diaphragma in zwei getrennte Elektrodenräume unterteilt. Als Elektroden dienen v. a. Metalle und deren Verbindungen (meist die Oxide), aber auch nichtmetallische Leiter (z. B. Kohlenstoff); als Elektrolyt dienen wässrige Lösungen von Säuren, Basen oder Salzen (häufig zu einer pastösen oder festen Masse eingedickt), Salzschmelzen, durch Zusätze leitfähige organische Flüssigkeiten u. Ä. sowie feste Ionenleiter (Salze, Oxidgemische). Zwischen den Elektroden tritt eine elektrische Spannung, die Zellspannung, als Folge der an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen auf. Die Ausgangsstoffe dieser Elektrodenreaktionen sind feste, flüssige oder auch gasförmige Stoffe, die in den Elektroden enthalten oder im Elektrolyten gelöst sein können oder dem Element von außen laufend zugeführt werden.

 

Die beim Eintauchen einer metallischen Elektrode in den Elektrolyten ablaufenden elektrochemischen Reaktionen beruhen auf dem Einanderentgegenwirken des Lösungsdrucks der Elektroden und dem Partialdruck der im Elektrolyten gelösten Ionen (osmotischer Druck bei Vorhandensein eines Diaphragmas). Je nach der Größe der beiden Drücke gehen entweder die positiv geladenen Ionen der Metallelektrode in den Elektrolyten, oder die Ionen des Elektrolyten lagern sich an der Elektrode an; dabei wird diese negativ oder positiv aufgeladen. Zwischen Elektrode und Elektrolyt bildet sich eine Galvani-Spannung aus, deren Größe von der Art des Metalls und der Elektrolytkonzentration abhängig ist. Taucht man zwei verschiedene Metalle in den gleichen Elektrolyten ein, so haben sie eine unterschiedliche Tendenz, in Lösung zu gehen; da sie sich dabei unterschiedlich aufladen, bildet sich zwischen ihnen eine Spannungsdifferenz aus, die Urspannung, die elektromotorische Kraft (Abkürzung EMK) des stromlosen Zustandes, die sich aus der elektrochemischen Spannungsreihe ergibt. Werden die Elektroden über einen äußeren Stromkreis leitend verbunden, so fließt infolge dieser EMK so lange ein Gleichstrom in den Außenkreis, bis die Elektrodenreaktionen beendet sind und die Elektroden sich nicht weiter aufladen. Lassen sich die ablaufenden Elektrodenreaktionen eines elektrochemischen Elements durch Zuführung von elektrischer Energie nicht umkehren, so liegt ein für eine einmalige Entladung verwendbares Primärelement (galvanische Elemente) vor; falls diese Reaktionen umkehrbar sind, spricht man von einem Sekundärelement (Akkumulator). Eine dritte Gruppe dieser elektrochemischen Spannungs- und Stromquellen sind die Brennstoffzellen.