Wer hat Batterien erfunden?

Die meisten von uns nutzen Batterien in den unterschiedlichsten Formen und Formen in unserem Alltag und halten sie für selbstverständlich. Vom Wecker, der uns morgens weckt, über das Auto, mit dem wir zur Arbeit fahren, bis hin zum Herzschrittmacher, der uns am Leben hält, und der Telefonbatterie, mit der wir kommunizieren können. Aber Batterien haben eine lange Entdeckungs- und Entwicklungsreise hinter sich, um dorthin zu gelangen, wo sie heute sind.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf einige der bahnbrechenden Fortschritte in der Geschichte der Batterien, die zu ihrer Verbesserung und Entwicklung beigetragen haben (Abbildung 1).

Bagdad-Batterie (1700): Im Jahr 1938 grub Wilhelm König, ein deutscher Archäologe, in Khujut Rabu, in der Nähe von Bagdad, Irak, Tonkrüge von etwa der Größe einer menschlichen Faust aus. Diese 2.200 Jahre alten Gefäße bestanden aus einem Eisenstab in einem Kupferzylinder, der mit einem Asphaltstopfen verschlossen war. Es wird spekuliert, dass diese Gefäße von den Bewohnern der parthischen Zivilisation, die die Region vor 2.000 Jahren regierte, als elektrische Batterien zum Galvanisieren von Gold auf Silber verwendet wurden. Diese Anordnung ist als „Bagdad-Batterie“ bekannt geworden. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass es derzeit keine konkreten Beweise gibt, die diese Spekulation stützen, und selbst die Datierung dieser Artefakte bleibt einigermaßen umstritten.1

Voltaischer Stapel (1800): Allesandro Volta, der als der „wahre“ Entdecker der Batterien gilt, führte die erste erfolgreiche Demonstration einer modernen Batterie durch, die allgemein als Voltaischer Stapel bezeichnet wird. Dieses Gerät bestand aus einer Reihe übereinander gestapelter Zink- und Silberplatten, wobei jede Platte durch ein in einer Lösung aus Säure und Salz getränktes Tuch getrennt war. Diese Erfindung stellte einen bedeutenden Meilenstein dar, da sie den Weg für revolutionäre Fortschritte in der Fernkommunikation ebnete, einschließlich der Entwicklung von Telegraphen in den späten 1830er Jahren und viel später des Telefons in den 1870er Jahren. Der ursprüngliche Voltaic-Pfahl stand jedoch vor einer Herausforderung, da sich infolge chemischer Reaktionen Wasserstoffblasen bildeten, die an den Elektrodenoberflächen anhafteten. Dieses Problem führte zu einem raschen Leistungsabfall der Batterie, sodass sie nur noch eingeschränkt in der Praxis einsetzbar war.

Daniel-Zelle (1836): Der englische Chemiker John Daniel löste 1836 die Leistungsverschlechterung der voltaischen Säule mit der Entdeckung einer Zweiflüssigkeitsbatterie namens Daniel-Zelle.2 Das System bestand aus einem Glasgefäß mit einer Zinkanode oben und eine Kupferkathode unten. Als Elektrolyt wurde eine zweischichtige Flüssigkeit aus konzentriertem CuSO4 und verdünnter H2SO4 verwendet. Es wurde kommerziell hauptsächlich für den Antrieb von Telegraphen genutzt, bis im späten 19. Jahrhundert die Einführung anderer neuartiger Konstruktionen seine Bedeutung in den Schatten stellte. Alle verschiedenen Batteriedesigns basierten bisher auf einer Einwegphilosophie, bei der die Elektroden, sobald sie durch die chemische Reaktion verbraucht waren, nicht regeneriert werden konnten, was heute als Primärzellen bezeichnet wird.

Blei-Säure-Speicherzelle (1854): Der deutsche Physiker Wilhelm Josef Sinsteden brachte 1854 das Konzept wiederaufladbarer Batterien ans Licht, indem er zwei Bleiplatten in einem Behälter mit verdünnter H2SO4 verwendete. Kurz darauf, im Jahr 1859, stellte der französische Physiker Gaston Planté die erste wiederaufladbare Blei-Säure-Batterie3 vor, die die Welt revolutionierte. Es bestand aus einer Doppelplatte aus Blei mit einem dazwischen liegenden Gummistreifen als Separator, die wiederum zu einer Spirale aufgerollt und in verdünnten H2SO4-Elektrolyten getaucht wurde.

Leclanché-Zelle (1866): Im Jahr 1866 führte George Leclanché, ein französischer Physiker, mehrere bedeutende Innovationen und Abweichungen vom damals vorherrschenden Ansatz ein. Er entwickelte einen neuen Batterietyp, der MnO2 als eine der Elektroden verwendete, und markierte damit den ersten Einsatz eines Oxids für diesen Zweck.1 Bleioxid wurde erst 1881 in die Konstruktion von Blei-Säure-Batterien einbezogen. Der belgische Telegrafendienst entwickelte sich schnell übernahm diese Technologie im Jahr 1867 und stellte damit einen außergewöhnlich schnellen Übergang vom Patent zur Marktreife dar.1 Leclanché führte auch die Verwendung einer NH4Cl-Lösung als Elektrolyt ein,4 was von der vorherrschenden Praxis der Verwendung von Protonensäuren abweicht.

Trockenzelle (1886): Carl Gassner ersetzte 1886 die flüssige NH4Cl-Lösung in der Leclanché-Zelle durch eine Paste aus NH4Cl-Lösung gemischt mit Gips und schuf so die erste bedeutende Trockenzelle.5 Gassners Erfindung wurde in mehreren Ländern patentiert, weil er wusste um das kommerzielle Potenzial seiner Innovation. Im gleichen Zeitraum gab es auch unabhängige Entwicklungen von Trockenbatterien, darunter bemerkenswerte Beiträge von Wilhelm Hellesen und Yai Sakizo. Die genaue Zuschreibung des Erfinders der ersten Trockenzelle bleibt etwas unklar.

Nickel-Cadmium-Zelle (1899): W. Jüngner stellte 1899 die Nickel-Cadmium-Batterie vor, die erste Alkalibatterie.6 Sie wurde schnell als ideale Batterietechnologie für kleine Verbrauchergeräte bekannt. Diese Technologie wurde für ihre hohe Stromkapazität und die Fähigkeit, zahlreiche Lade-Entlade-Zyklen zu durchlaufen, gelobt. In den 1930er Jahren begann es jedoch aufgrund von Faktoren wie den hohen Kosten, der Verschlechterung des Elektrolyten, der verkürzten Batterielebensdauer und der giftigen Natur von Cadmium an Popularität zu verlieren.

Nickel-Eisen-Zelle (1901): Zusätzlich zu seinen Arbeiten an Nickel-Cadmium-Batterien stellte Jüngner auch Nickel-Eisen-Batterien vor. Dieses Design wurde 1901 von Thomas Edison weiterentwickelt und patentiert. Es ist faszinierend zu beobachten, dass Edisons Motivation für die Weiterentwicklung von Nickel-Eisen-Batterien aus seinem Ehrgeiz resultierte, Elektroautos zum bevorzugten Transportmittel zu machen, eine Einstellung, die seit über einem Jahr wieder auflebt Jahrhundert später. Leider stellte das Problem der Eisenvergiftung ein erhebliches Hindernis für die kommerzielle Durchführbarkeit dieser Batterien dar, was zu einem Rückgang ihrer Beliebtheit führte.

Nickel-Metallhydrid-Zellen (1967): Die Unbeliebtheit von Cadmium förderte 1967 die Entwicklung von Nickel-Metallhydrid-Batterien, die nicht nur cadmiumfrei sind, sondern auch mehr Ladung speichern können als Nickel-Cadmium-Batterien. Auf der anderen Seite liefern Nickel-Metallhydrid-Batterien weniger Leistung, haben eine schnellere Selbstentladung und sind weniger tolerant gegenüber Überladung.1 Nach ihrer Markteinführung im Jahr 1991 fanden sie breite Anwendung in Mobiltelefonen, Computern und tragbaren elektronischen Geräten.

Lithiumzellen (1970): Lithiumbasierte Batterien waren die letzten, die im Zuge der Weiterentwicklung der Batterietechnologie auftauchten, und wurden erst in den 1970er Jahren von verschiedenen Forschungsgruppen eingeführt. Das Konzept der Lithium-Ionen-Batterien (Li–Ionen) wurde erstmals um 1979 diskutiert, woraufhin erhebliche Fortschritte erzielt wurden, beginnend im Jahr 1980 mit NA Godshall und Kollegen7 sowie JB Goodenough und Kollegen.8 Ihre Arbeiten demonstrierten erfolgreich die Einfügung und Extraktion eines Lithiumions in LiCoO2, zusammen mit anderen Oxidsystemen. Diese Durchbrüche legten den Grundstein für die Kommerzialisierung der Li-Ionen-Batterietechnologie, die Sony 1991 gelang.9 Li-Ionen-Batterien fanden weit verbreitete Verwendung in Herzschrittmachern, Uhren, Kameras und tragbaren elektronischen Geräten sowie in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Es stehen sowohl wiederaufladbare10 als auch nicht wiederaufladbare Varianten zur Verfügung. Derzeit erforschen Wissenschaftler aktiv alternative Batterietechnologien wie Natrium-Ionen-,11 Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Batterien, die vielversprechend sind, aber auch ihre eigenen Herausforderungen mit sich bringen.12

Die Batterieentwicklung und -kapazitäten haben im Laufe der Jahre große Fortschritte gemacht, aber dieser Bereich entwickelt sich weiterhin rasant weiter. Wissenschaftler streben nach Batterien mit verbesserter Leistungsfähigkeit, verbesserter Sicherheit und einem umweltfreundlicheren Fußabdruck, um den Anforderungen der Verbraucher und der Politik gerecht zu werden. Daher werden wir in den kommenden Jahren wahrscheinlich weitere spannende Ergänzungen zu dieser Zeitleiste sehen.

1. Sarma DD, Shukla AK. Bessere Batterien bauen: Eine Reise in die Vergangenheit. ACS Energy Lett. 2018;3(11):2841-2845. doi:10.1021/acsenergylett.8b01966

2. Daniell JF. Über Voltaikkombinationen. In einem Brief an Michael Faraday, d. CL, f. RS, Fullerian Prof. Chem. Königliche Institution, korr. Mitglied. Königlich & Kobold. Akad. Von der Wissenschaft, Paris, Petersburg usw. Von j. Frederic Daniell, f. RS, Prof. Chem. Im King's College, London. Phil Trans R Soc. 1836;126:107-124. doi:10.1098/rstl.1836.0012

3. Kurzweil P. Gaston Planté und seine Erfindung der Blei-Säure-Batterie – die Entstehung der ersten praktischen wiederaufladbaren Batterie. J Stromquellen. 2010;195(14):4424-4434. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.12.126

4. Dutta A, Mitra S, Basak M, Banerjee T. Ein umfassender Überblick über Batterien und Superkondensatoren: Entwicklung und Herausforderungen seit ihrer Einführung. Energiespeicher. 2023;5(1). doi:10.1002/est2.339

5. Mertens J. Die Entwicklung der Trockenbatterie: Vorspiel zu einem Massenkonsumartikel (1882-1908). Zentaur. 2000;42(2):109-134. doi:10.1034/j.1600-0498.2000.420203.x

6. Pourabdollah K. Entwicklung von Elektrolytinhibitoren in Nickel-Cadmium-Batterien. Chem. Eng. Sci. 2017;160:304-312. doi:10.1016/j.ces.2016.11.038

7. Godshall NA, Raistrick ID, Huggins RA. Thermodynamische Untersuchungen ternärer Lithium-Übergangsmetall-Sauerstoff-Kathodenmaterialien. Mater Res Bull. 1980;15(5):561-570. doi:10.1016/0025-5408(80)90135-X

8. Mizushima K, Jones PC, Wiseman PJ, Goodenough JB. Lixcoo2 (0

9. Manthiram A. Ein Ausblick auf die Lithium-Ionen-Batterietechnologie. ACS Cent Sci. 2017;3(10):1063-1069. doi:10.1021/acscentsci.7b00288

10. Goodenough JB, Kim Y. Herausforderungen für wiederaufladbare Li-Batterien. Chem. Mater. 2010;22(3):587-603. doi:10.1021/cm901452z

11. Luo W, Shen F, Bommier C, Zhu H, Ji X, Hu L. Na-Ionen-Batterieanoden: Materialien und Elektrochemie. Acc Chem Res. 2016;49(2):231-240. doi:10.1021/acs.accounts.5b00482

12. Duffner F, Kronemeyer N, Tübke J, Leker J, Winter M, Schmuch R. Produktion von Post-Lithium-Ionen-Batteriezellen und ihre Kompatibilität mit der Produktionsinfrastruktur für Lithium-Ionen-Zellen. Nat Energy. 2021;6(2):123-134. doi:10.1038/s41560-020-00748-8