Im Folgenden wollen wir uns kurz damit beschäftigen wie in Batterien eine Spannung zustande kommt. Dafür erläutern wir den zugehörigen elektrochemischen Prozess und probieren ihn danach auch aus.
Wenn man ein Metall in eine leitende Flüssigkeit (Elektrolyt) taucht, dann liegt an der Grenzfläche von Metall und Elektrolyt eine unterschiedliche Konzentration von Ionen vor. Die Natur strebt danach, diese unterschiedliche Konzentration von Ionen auszugleichen. Dies passiert dadurch, das sich Ionen vom Metall in die Lösung bewegen. Auch die umgekehrte Richtung von der Lösung ins Metall ist möglich, allerdings ist die Wahrscheinlichkeit dafür geringer. Nach einer gewissen Zeit stellt sich Gleichgewicht ein. Da das Metall insgesamt mehr Ionen abgegeben als aufgenommen hat ist es in der Summe negativ geladen.
Wie groß die Ladung auf dem Metall ist hängt unter anderem von der Art des Metalls ab. Unedle Metalle gehen dabei eher in Lösung als edle Metalle und somit ist die Ladung auf unedlen Metallen größer.
Die oben beschriebene Anordnung aus Metall und Elektrolyt nennt man Halbzelle. Das Metall bildet dabei die Elektrode der Zelle. Interessant wird das Ganze nun, wenn man zwei unterschiedliche Halbzellen kombiniert, was man als galvanisches Element bezeichnet. Da auf beiden Halbzellen unterschiedliche Ladungskonzentrationen vorliegen kann man zwischen den Beiden eine Spannung messen. Das ist die Grundlage der Batterie und auch des Akkus.
Um eine Aussage über die Größe der Spannung zu treffen, die zwischen zwei Halbzellen vorliegt werden zunächst die Spannungen bestimmt, welche die Halbzellen unter Normalbedingungen gegenüber einer Standard-Wasserstoff-Halbzelle aufweisen. Diese besteht aus einer Elektrode aus Platin, die in eine Lösung getaucht wird, welche H3O+ Ionen in einer Konzentration von einem Mol enthält. Über die Elektrode selbst wird Wasserstoff-Gas geleitet.
Die resultierende Reihe aus Spannungen nennt man elektrochemische Spannungsreihe.
Aus der Spannungsreihe kann man direkt ablesen, welche Spannung sich unter Normalbedingungen zwischen zwei unterschiedlichen Elektroden einstellt, indem man einfach die Differenz der beiden Werte ermittelt. Liegen keine Normalbedingungen vor, lässt sich die Spannung mit Hilfe der Nerst-Gleichung ermitteln auf die wir an dieser Stelle allerdings nicht näher eingehen wollen.
Heutige AA oder AAA Batterien verwenden in der Regel Zink und Manganoxid als Elektroden. Als Elektrolyt wird Kalilauge eingesetzt.
Das ganze kann man auch in einem einfachen Experiment zu Hause ausprobieren. Für das Experiment braucht man nur eine Kupfermünze, einen Zinkdraht, eine Zitrone und einen Spannungsmesser. Den Draht und die Kupfermünze steckt man einfach in kleinem Abstand in die Zitrone. Mit dem Spannungsmesser sollte man nun eine Spannung zwischen den beiden Metallen messen können.
Aber Achtung: Schließt man einen Verbraucher an die Zitronenbatterie an wird man feststellen, dass die Spannung an der Batterie stark einbricht und nur ein ganz kleiner Strom fließt. Grund dafür ist der große Innenwiderstand der Zitronenbatterie.
