Batterie selbst bauen: Voltasäule und Zink-Kohle-Zelle

Wie aus zwei Metallen Strom wird

Eine Batterie ist im Kern ein galvanisches Element: zwei verschiedene Metalle, die Elektroden, stecken in einem Elektrolyten – einer Flüssigkeit oder Paste, die Strom über Ionen leitet. LEIFIphysik, das Physikportal des FWU Instituts für Film und Bild, beschreibt den Vorgang so: Das unedlere Metall löst sich auf, seine Atome gehen als positive Ionen in die Lösung, die zurückbleibenden Elektronen laden das Metall negativ. Dem edleren Metall werden Elektronen entzogen, es wird positiv. Verbindest du beide außen mit einem Draht, fließt Strom.

Daraus folgt die wichtigste Regel für jeden Nachbau: Das edlere Metall bildet stets den Pluspol, das unedlere den Minuspol. Ordnet man die Metalle danach, erhält man die elektrochemische Spannungsreihe. Je weiter zwei Metalle in dieser Reihe auseinanderliegen, desto größer die Spannung. Gleiche Metalle liefern gar nichts – das zeigt der Heimversuch von LEIFIphysik ausdrücklich.

Für den Hausgebrauch sind Kupfer und Zink das klassische Paar. Das Zink ist dabei der „Brennstoff“: Es löst sich während des Betriebs langsam auf, bis es verbraucht ist. Wie Spannung, Strom und Leistung zusammenhängen, erklärt der Artikel „Strom verstehen: Spannung, Stromstärke, Leistung“.

Die Voltasäule: der erste Stapel

Alessandro Volta stapelte Paare aus je einer Silber- und einer Zinkplatte übereinander und legte zwischen die Paare Lederscheiben, die mit Salzwasser getränkt und leicht abgetrocknet waren. So gibt LEIFIphysik seine Beschreibung sinngemäß wieder. Solche Anordnungen ermöglichten Versuche mit länger andauernden Strömen.

Nach LEIFIphysik liefert ein Plattenpaar mit Lederscheibe ungefähr ein Volt. Die Einheiten sind in Reihe geschaltet, ihre Spannungen addieren sich: 14 Einheiten ergeben etwa 14 Volt. Dieselbe Aufgabe zeigt einen typischen Fehler. Legst du auch zwischen die direkt aufeinanderliegenden Metallplatten eines Paares noch eine feuchte Scheibe, entstehen gleich viele entgegengesetzt geschaltete Zellen – die Gesamtspannung wäre null.

Wichtig ist also die Reihenfolge: Innerhalb eines Paares berühren sich die beiden Metalle direkt, der Elektrolyt liegt nur zwischen den Paaren. Diese Regel gilt für jeden Nachbau.

Eine Voltasäule nachbauen

Silber brauchst du nicht. Das Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung in Bayern nennt für Schülerversuche Kupferstücke wie Centstücke sowie Zink- oder Aluminiumstreifen. Die TU Braunschweig verwendet in ihrem Versuch einen verzinkten Nagel als Zinkelektrode. Verzinkte Unterlegscheiben aus der Werkzeugkiste sind deshalb ein naheliegender Ersatz für Zinkplatten – eine eigene Übertragung, die du mit dem Messgerät prüfst. Als Elektrolyt nahm Volta Salzwasser; Haushaltsessig ist ebenfalls ein Elektrolyt. Essigessenz brauchst du dafür nicht.

Ein Messgerät zeigt dir, ob der Stapel arbeitet. Die Spannung je Zelle liegt nach den Versuchen der Quellen unter oder um ein Volt. Rechne also mit höchstens einem Volt pro Paar und miss nach, statt dich auf eine Zahl zu verlassen.

• Metallteile blank reiben, bis sie glänzen; Kupfer und Zink getrennt sortieren.
• Pappe oder Löschpapier auf etwas kleineren Durchmesser als die Metallscheiben schneiden.
• Pappscheiben in Salzwasser oder Essig tränken und leicht abtropfen lassen.
• Stapeln: Zink, Kupfer, feuchte Pappe – dann wieder Zink, Kupfer, Pappe und so weiter.
• Unten liegt Zink, oben Kupfer: Unten ist dann der Minuspol, oben der Pluspol.
• Den Stapel mit einem Gummiband oder zwischen zwei Holzleisten zusammenhalten und nachmessen.

Zitronen- und Kartoffelbatterie als Versuch

Noch einfacher geht es mit Obst. LEIFIphysik schlägt vor, verschiedene Nägel, Schrauben und Münzen in eine Kartoffel oder Zitrone zu stecken und die Spannung zwischen je zwei Metallen zu messen. Statt eines Messgeräts genügt ein Kopfhörer: Berühren zwei verschiedene Metalle die beiden Pole des Steckers, knackt es. Gleiche Metalle bleiben still.

Die TU Braunschweig hat mit einer Zitrone verschiedene Elektrodenpaare gemessen. Sie weist darauf hin, dass die Zitrone lediglich den Elektrolyten bereitstellt – der Name „Zitronenbatterie“ ist also irreführend. Die gemessenen Ruhespannungen und Kurzschlussströme zeigt die Tabelle. Der Kurzschlussstrom ist dabei der größte Strom, den die Zelle überhaupt hergibt.

Mehrere Früchte schaltest du wie die Voltasäule in Reihe: das Kupfer der ersten mit dem Zink der zweiten verbinden, so beschreibt es das bayerische Staatsinstitut. Die Spannungen addieren sich, der Strom bleibt so klein wie bei einer einzelnen Frucht.

Warum es nur für LED und Uhr reicht

Das bayerische Staatsinstitut nennt als mögliche Verbraucher mehrerer Zitronenbatterien in Reihe energiearme Schaltungen wie eine einfache Uhr mit LCD-Anzeige, Leuchtdioden oder einen kleinen Solarmotor. Ein gewöhnlicher Elektromotor ließ sich im Versuch der TU Braunschweig mit keiner der Obstbatterien betreiben.

Eine eigene Rechnung macht den Abstand greifbar. Das Zink-Kupfer-Paar der TU Braunschweig liefert knapp 1 Volt und höchstens 0,5 Milliampere, also rund ein halbes Milliwatt – und das nur im Kurzschluss, unter Last weniger. Eine LED darf nach LEIFIphysik bis etwa 20 Milliampere ziehen, wie der Artikel „Licht aus Strom: Glühdraht und LED aus Altgeräten“ erklärt; das ist das Vierzigfache. Eine LED leuchtet an Obstbatterien deshalb nur schwach, und du brauchst mehrere Zellen in Reihe, um ihre Schwellenspannung überhaupt zu erreichen.

Mit der Voltasäule ist es ähnlich. Die Spannung lässt sich durch Stapeln fast beliebig erhöhen, den Strom aber nicht. Mehr Strom bringen nur größere Elektrodenflächen oder mehrere Säulen nebeneinander – das ist eine Folgerung aus dem Prinzip, keine gemessene Zahl. Für Licht, Funk oder Laden bleiben Autobatterie, Solarmodul und Dynamo die tragfähigen Quellen.

Die Zink-Kohle-Zelle: Leclanchés Erfindung

Die weit verbreitete Zink-Kohle-Batterie geht nach LEIFIphysik auf den französischen Chemiker Georges Leclanché (1839–1882) zurück. Sie besteht aus einem Zinkbecher, gefüllt mit eingedickter Salmiaklösung und Braunstein. In diesem Brei steckt ein Kohlestift – daher auch der Name Trockenbatterie. Eine frische Zelle liefert 1,5 Volt.

Auch hier ist Zink der Minuspol und löst sich auf; eine stark gebrauchte Zelle hat einen zerfressenen Zinkbecher. Den eigentlichen Pluspol-Vorgang übernimmt der Braunstein, der Kohlestift stellt nur den Kontakt her. Die Zelle ist eine Primärbatterie: Sie lässt sich einmal entladen und ist dann unbrauchbar. Mit der Entnahme sinkt die Konzentration des Salmiaks und damit die Spannung.

Für einen Kaltstart ist das Prinzip lehrreich, der Nachbau aber kaum sinnvoll: Braunstein und Salmiak findest du nicht im Haushalt, und das Mehr an Spannung gegenüber einer Zink-Kupfer-Zelle ist gering. Salzwasser und Essig reichen für alle Versuche dieses Artikels. Das Voltaelement, das LEIFIphysik mit verdünnter Schwefelsäure beschreibt, baust du ausdrücklich nicht nach.

Grenzen gegenüber gekauften Batterien

Eine selbst gebaute Zelle arbeitet nur, solange ihr Elektrolyt feucht ist und Zink übrig bleibt. Sie trocknet aus, korrodiert und lässt in der Spannung nach. Nach LEIFIphysik hat die Alkali-Mangan-Zelle die Zink-Kohle-Zelle abgelöst, weil sie ihre Spannung fast bis zum Ende hält. Gekaufte Batterien sind deshalb der Vorrat, der zählt; der Eigenbau ist Wissen für den Fall, dass keiner mehr da ist.

Praktisch heißt das: Heb geladene Akkus und Batterien auf, statt auf Eigenbau zu setzen, und nutze eine Voltasäule für das, was sie gut kann – eine Uhr, ein Messgerät, eine kleine Anzeige oder das Prinzip Kindern zeigen. Wie du eine 12-Volt-Batterie pflegst, steht in „Die 12-Volt-Welt: Autobatterie und Kleinspannung“, wie ein Generator Strom aus Bewegung macht, in „Motor als Generator: Strom aus dem Fahrraddynamo“.