Gravity-Daniell-Element

Das Gravity-Daniell-Element bezeichnet eine Gruppe von verschiednenen Weiterentwicklungen des 1836 entwickelten Daniell-Elements, eine historische galvanische Zelle. Gravity-Daniell-Elemente wurden als Energiespeicher unter anderem in der elektrischen Telegrafie bis Anfang des 20. Jahrhunderts eingesetzt, sie zählen zu den so genannten Nassbatterien.^[1]

Aufbau

Schematische Darstellung eines Gravity-Daniell-Element, Bauform Callaud.

Wie das Daniell-Element bestehen alle Gravity-Daniell-Elemente aus zwei Halbzellen mit einer negativen Elektrode aus Zink in einer Zinksulfatlösung und einer positiven Elektrode aus Kupfer in einer Kupfersulfatlösung. Das ursprüngliche Daniell-Element besitzt zur Trennung der beiden Sulfaltlösung ein Diaphragma, auch als Salzleiter bezeichnet, welches als Ionenleiter dient, und aus Steingut (Tonerde) besteht. Durch dieses Diaphragma beträgt der Innenwiderstand einer Daniell-Zelle rund 10 Ω, was bei einer Elementspannung von 1,1 V einen maximalen Entladestrom im Bereich von 100 mA zulässt, welcher für viele Anwendungen zu wenig ist.

Zur Verringerung des Innenwiderstandes des Daniell-Elements wurde das hochohmige Diaphragma weggelassen und die beiden Sulfatlösungen in direkten Kontakt gebracht. Um eine unerwünschte Durchmischungen zu verhindern, dies würde zum Ausfall des Elements führen, wird die unterschiedliche Dichte der beiden Sulfatlösungen zur Separierung ausgenutzt, woraus auch die Bezeichnung Gravity für Gravitation stammt. Im oberen Bereich der Gravity-Daniell-Elemente befindet sich die leichtere Zinksulfatlösung mit Zinkelektrode, welche als Ring oder als Gitter ausgeführt sein kann, darunter die dichtere Kupfersulfatlösung mit einer Kupferelektrode. Diese Art von galvanischen Elementen hatten einen deutlich geringeren Innenwiderstand im Bereich von 1 Ω.

Allerdings sind diese Zellen empfindlich auf Erschütterungen, konnten nur in vertikaler Lage betrieben werden, und waren nicht transportfähig, womit mobile Anwendungen ausgeschlossen sind. Außerdem führt das Fehlen eines Diaphragma bei längerer Lagerung der Zellen zu einer verstärkten Diffusion der beiden Sulfatlösungen und zur Selbstentladung. Gravity-Zellen wurden daher unmittelbar vor Betrieb durch das Zusammenstellen der Anordnung und dem langsamen Auffüllen mit den Sulfatlösungen, um eine Durchmischung zu vermeiden, in Betrieb genommen.

Bauformen

In Summe gibt es mehrere unterschiedliche Bauformen von Gravity-Daniell-Element welche nach ihren Entwicklern benannt sind.

Meidinger-Element

Verschiedene Bauformen des Meidinger Element

Das Meidinger-Element, benannt nach dem Physiker Heinrich Meidinger, besteht im unteren Bereich aus einem Glasbecher welcher mit Kupfersulfat gefüllt ist, mit d d in der Zeichnung beschriftet, welcher die innen angebrachte Glasröhre h und die im unteren Bereich eingelegt und isoliert nach oben geführte Kupferelektrode umschließt. In der zentrisch im Inneren liegenden Glasröhre befindet sich ein Vorrat an festen Kupfersulfat, welcher durch eine kleine Öffnung im unteren Bereich in die Kupfersulfatlösung übergehen kann. Der Bereich oberhalb, mit A A beschriftet, ist mit dem leichteren Zinksulfat gefüllt, mit der im oberen Bereich befindlichen Zinkelektrode. Der Glasbecher im unteren Bereich hat auch die Aufgabe, die Durchmischung der beiden Lösungen möglichst lange zu verzögern.

Das Meidinger-Element wurde in verschiednenen Formen gebaut, wie in der rechten Darstellung abgebildet.

Callaud-Element

Durch den konstruktiv vergleichsweise komplizierten Glasaufbau des Meidinger-Elementes wurde um 1860 das Callaud-Element entwickelt, wie oben abgebildet, welches wegen seiner Einfachheit über Jahrzehnte im Telegrafiebereich Verwendung fand. Diese einfachste Form einer Gravity-Zelle besteht nur aus einem Becher in welchem die beiden Sulfatlösungen übereinander eingebracht werden. Die Kupferelektrode ist im unteren Bereich, manchmal mit festen Kupfersulfatkristallen im Bodenbereich für eine höhere Ladungsmenge ergänzt, die Zinkelektrode befindet sich im oberen Bereich und wird am Becherrand eingehängt.

Lockwood-Element

Lockwood Element

Eine Verbesserung der Elektrodenform und mit einer gesteigerten Kapazität stellt das zum Callaud-Element ähnlich aufgebaute Lockwood-Element dar. Die oben liegende Zinkelektrode ist in massivem Zink ausgeführt, im unteren Bereich ist die spiralförmige Kupferelektrode in ein Reservoir aus Kupfersulfat eingebettet.

Literaturquellen

1. ↑ William Edward Ayrton: Practical Electricity. Cassell, London 1891, S. 212 und folgend. (Online).

Galvanische Zellen

Primärzellen:  Alkali-Mangan-Batterie | Lithiumbatterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Lithium-Mangandioxid-Batterie | Lithium-Thionylchlorid-Batterie | Lithium-Schwefeldioxid-Batterie | Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Braunstein-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen:  Bleiakkumulator | Natrium-Schwefel-Akkumulator | Nickel-Cadmium-Akkumulator | Nickel-Eisen-Akkumulator | Nickel-Lithium-Akkumulator | Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | Nickel-Zink-Akkumulator | Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator | Lithium-Ionen-Akkumulator | Lithium-Mangan-Akkumulator | Lithium-Polymer-Akkumulator | Lithium-Schwefel-Akkumulator | Silber-Zink-Akkumulator | STAIR-Zelle | Vanadium-Redox-Akkumulator | Zink-Brom-Akkumulator | Zebra-Batterie | Zellulose-Polypyrrol-Zelle | Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
Historische Zellen:  Daniell-Element | Gravity-Daniell-Element | Leclanché-Element | Voltasche Säule | Clark-Normalelement | Weston-Normalelement | Zambonisäule
Ausführungen:  Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Knopfzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Thermalbatterie | Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)