Warum haben Batterien so unterschiedliche Formen?

Wenn Sie in letzter Zeit einen Blick in Ihre Schublade geworfen haben, sind Ihnen vielleicht die verschiedenen Formen, Größen und Arten von Batterien aufgefallen, mit denen Ihre elektronischen Geräte betrieben werden. Da sind zum einen die runden, nicht wiederaufladbaren Knopfzellen für Uhren und kleine Geräte. Dann gibt es die beliebten zylindrischen AA- und AAA-Batterien für Taschenrechner, Uhren und Fernbedienungen. Dann gibt es noch die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien für Laptops und Telefone. Und vergessen Sie nicht die Blei-Säure-Batterie in Ihrem Auto.

Um zu verstehen, warum es Batterien in so vielen verschiedenen Größen und Formen - und für so viele verschiedene Zwecke - gibt, muss man einen Blick in die Vergangenheit werfen, um zu sehen, wie Batterien entstanden sind und wie sie sich im Laufe der Jahre entwickelt haben.

Die ersten Batterien wurden um 1800 hergestellt und waren recht einfach. Eine der ersten Vorführungen bestand aus einer Reihe von Metallscheiben, die in Salzlake getaucht waren. Der italienische Wissenschaftler Alessandro Volta erkannte, dass damit Strom erzeugt werden konnte. Die erste Blei-Säure-Batterie bestand aus einigen Bleistücken in einem Glas mit Schwefelsäure. Die modernen Versionen sind nicht viel anders. Sie sind nur einfacher herzustellen und enthalten verschiedene Zusätze, um ihre Leistung zu verbessern.

Die Blei-Säure-Batterie ist die erste wiederaufladbare Batterie. Sie wurde 1859 von Gaston Plante erfunden, der mit Bleiplatten in einer Säurelösung experimentierte und feststellte, dass sich der Stromfluss und die Speicherung von elektrischem Strom umkehren lassen.

Eine Blei-Säure-Batterie muss groß genug sein, um genügend Ladung zum Starten eines Autos zu liefern. Sie muss auch in kalten Klimazonen einsetzbar sein und viele Jahre halten. Da der Elektrolyt eine ätzende Säure ist, muss das äußere Gehäuse robust sein, um Menschen und Fahrzeugteile vor möglichen Schäden zu schützen. Vor diesem Hintergrund ist es logisch, dass moderne Blei-Säure-Batterien groß und schwer sind.

In Haushaltsgeräten wie Taschenrechnern und Digitalwaagen kann man es sich dagegen leisten, kleinere Batterien zu verwenden, da sie nicht so viel Ladung benötigen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um nicht wiederaufladbare Alkalibatterien, die schon seit Jahrzehnten verwendet werden. Standardisierte Zellengrößen sind AAAA, AAA, AA, C und D sowie Knopfzellen, Knopfbatterien und viele andere. Die Größen hängen von der Ladungsmenge ab, die sie speichern können - je größer die Batterie, desto mehr kann sie speichern - und von der Größe der Geräte, die sie versorgen.

Alkalibatterien werden manchmal in rechteckiger Form verkauft, wie z. B. die üblichen 9-Volt-Batterien, aber wenn man das äußere Gehäuse öffnet, sieht man, dass es sich nur um einige zylindrische Zellen handelt, die im Inneren miteinander verbunden sind. Zylindrische Batterien gibt es schon so lange und sie sind so weit verbreitet, dass es für die Unternehmen einfach keinen Sinn macht, etwas anderes herzustellen - es würde eine Investition in die Umstellung ihrer Produktionsanlagen erfordern, was sie lieber nicht tun.

Nickel-Cadmium-Batterien waren die ersten weit verbreiteten wiederaufladbaren Batterien für die Haushaltselektronik und bis Ende des 20. Doch sie hatten ihre Tücken. Cadmium ist sehr giftig, und die Batterien litten unter einem „Memory-Effekt“, der ihre Lebensdauer verkürzte.

Viele Jahrzehnte lang wurde Lithium wegen seiner einzigartigen Eigenschaften als leichtes Metall, das viel Energie speichert, für den Einsatz in wiederaufladbaren Batterien untersucht. Sony brachte 1991 die erste Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt.

Das Unternehmen stellte zylindrische Zellen her, da diese am einfachsten zu produzieren waren. In den 1990er Jahren stellte Sony viele Camcorder und Kassetten her und verfügte daher über eine große Anzahl von Anlagen für die Rolle-zu-Rolle-Produktion. Es war naheliegend, diese Anlagen auch für die Herstellung von Batterieelektroden in Rollenform zu verwenden, die durch Gießen von Folien auf Kupfer- oder Aluminiumbleche und anschließendes Aufwickeln zu einem Zylinder hergestellt werden.

Das dicke Gehäuse dieser zylindrischen Zellen ist mechanisch stabil und verfügt über ein Überdruckventil als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme. Diese ersten Lithium-Ionen-Zellen eroberten sehr schnell den Markt für tragbare Elektronik, insbesondere für Laptops und Mobiltelefone, da sie mehr Energie speichern und länger halten als Nickel-Cadmium-Akkus.

Batterien werden aus Kosten- und Produktionsgründen in bestimmten Größen und Formen hergestellt, in anderen Fällen aber auch aufgrund älterer Herstellungsverfahren. Die Marktnachfrage spielt ebenfalls eine Rolle.

Elektrofahrzeuge kamen beispielsweise erst auf dem Markt an, als Tesla begann, Autos mit zylindrischen Lithium-Ionen-Batteriezellen zu bauen, anstatt der rechteckigen Pouch- oder prismatischen Zellen, die andere Hersteller von Elektrofahrzeugen verwendeten. Pouch- und prismatische Zellen können eng aneinander gepackt werden, aber da zylindrische Zellen bereits in Massenproduktion für tragbare elektronische Geräte hergestellt wurden, konnte Tesla in den 2010er Jahren kostengünstigere Elektrofahrzeuge bauen.

Welche Formen und Größen Batterien in Zukunft haben werden, hängt nicht nur davon ab, wie viel Energie sie speichern können, sondern auch von der Marktwirtschaft - wie einfach die Herstellung der einzelnen Zelltypen ist, wie viel sie kostet und wofür sie verwendet werden. Und diese Faktoren sind eine Mischung aus Innovation und Geschichte.