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Knopfzellen Aufbau

Knopfzellen sind kleine Batterien, die vor allem dort zum Einsatz kommen, wo wenig Platz vorhanden ist. Ihr kompakter Aufbau erlaubt es diesen wundersamen Powerzellen, genügend Energie zum Betrieb von kleinen elektronischen Geräten zu liefern. Vor allem in Uhren, Armbanduhren, Hörgeräten und Taschenrechnern werden Batterie-Knopfzellen verwendet. Doch wie funktionieren Knopfzellen eigentlich und wie sind sie aufgebaut? Hier erklären wir den Aufbau der Knopfzelle…

Aufbau und Funktion der Knopfzelle

Knopfzellen werden in Durchmesser, Höhe, Spannung, Ladungsmenge und ihrer chemischen Zusammensetzung unterschieden. Sie werden oftmals in kleine Geräte eingesetzt, die auch einen geringen Stromverbrauch haben. Aufgrund ihrer Größe stellen sie aber eine große Gefahr für Kleinkinder dar, da sie giftig sind und verschluckt werden können. Folgendes Bild zeigt den Aufbau einer Knopfzelle schematisch:

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Aufbau Knopfzelle: So sieht eine Knopfzelle von innen aus.

Aufbau Knopfzelle: So sieht eine Knopfzelle von innen aus.

Für die Erklärung der Funktionsweise und des Aufbaus von Knopfzellen wird hier schematisch auf den Aufbau einer Zink-Sauerstoff Batterie zurück gegriffen, die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung und der hohen Kapazität für Knopfzellen oft verwendet worden ist und noch wird.

  • Der Becher (lila) und somit der Boden von Knopfzellen dient als positiver Pol, der über ein Luftloch Sauerstoff aufnimmt. Dieser wird in eine entsprechende Masse (gelb), das heißt in einen Kohlestift, und in ein Netz (hellblau) zumeist aus Aktivkohle geleitet.
  • Die Reaktion von Sauerstoff und Kohlenstoff führt unter Elektronenzugabe zur Reduktion der Sauerstoffmoleküle.
  • Ein Separator verhindert, dass Anode (grau) und Kathode in Kontakt kommen, ist aber durchlässig für die Atome.
  • Bei der nun zu beobachtenden Reaktion von Zink und Sauerstoff werden Elektronen abgegeben, die über den Deckel, der den negativen Pol (schwarz) darstellt, bei einem geschlossenen Stromkreis wieder durch den Verbraucher und in den positiven Pol wandern. Um die Elektronenabgabe auszugleichen, werden gleichzeitig positive Zink-Ionen in das enthaltene Elektrolyt abgegeben, so dass im entsprechenden Kreislauf auch wieder weitere Elektronen abwandern.
  • Zwischen positivem und negativen Pol, das heißt zwischen Becher und Deckel, liegt ein Kunststoff Dichtring (rot), der den Kontakt zwischen beiden Polen und somit einen Kurzschluss verhindert.

Warum werden Knopfzellen in Armbanduhren verwendet?

Die ablaufende Reaktion innerhalb von Knopfzellen ist eine Redoxreaktion, das heißt, dass durch die gleichzeitige Oxidation von Zink und Reduktion von Sauerstoff eine kontinuierliche Spannung anliegt. Man spricht hier von einer konstanten Entladespannung bei niedrigem Stromfluss, was Knopfzellen äußerst langlebig und daher besonders geeignet für den Einsatz in Armbanduhren macht.

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Beim Austausch von Knopfzellen sollte reinlich gearbeitet werden. Fingerfett kann an der Zelle anhaften und die Lebensdauer der Batterie verringern. Es wird also empfohlen sie mit Handschuhen oder eine Kunststoffpinzette zu wechseln

Durch die Aufnahme von Zink-Ionen entstehen im Verlauf der chemischen Reaktion Wassermoleküle, die allmählich eine Entladung der Knopfzelle bewirken, indem das Elektrolyt immer weiter verwässert wird. Da dieser Vorgang durch die konstante Spannung jedoch einige Zeit in Anspruch nimmt und die meisten Verbraucher nur wenig Energie benötigen, können einige Jahre vergehen, ehe die Knopfzellen aufgebraucht sind. Vor allem in Hörgeräten kommen Knopfzellen aus Zink-Sauerstoff aufgrund ihrer Langlebigkeit zum Einsatz, während für viele andere kleine Geräte andere Knopfzellen verwendet werden.

Welche Arten von Knopfzellen gibt es?

  • Lithium-Knopfzellen mit 16mm Durchmesser und 2mm Höhe
  • Alkaline-Knopfzellen mit 11,6mm Durchmesser und 5,4mm Höhe
  • Silberoxid-Knopfzellen sind überwiegend in Armbanduhren eingesetzt. Sie haben einen Durchmesser von 6mm und eine Höhe von 2,6mm
  • Zink-Luft-Knopfzellen werden für Hörgeräte verwendet
  • Quecksilber-Knopfzellen sind mittlerweile in Europa verboten

Die Lebensdauer von Knopfzellen

Auch hier geht es um die altbekannte Frage, ob man zu dem teuren Markenprodukt oder doch eher im Discounter zu dem besonders günstigen und großen Pack Knopfzellen greifen sollte. Logisch, dass sich fast jeder für die billigen Knopfzellen entscheiden würde. Doch hier ist Vorsicht geboten. Während die Markenbatterien bis zu 10 Jahren halten können, hat man von den günstigen Knopfzellen meist nur 3-4 Jahre etwas. Das liegt ganz offensichtlich an Selbstentladung. Es kann Ihnen also passieren, dass wenn die neue Knopfbatterie zum Einsatz kommen soll, sie schon leer ist.

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