Die Anode und Kathode. Batterien für Anfänger erklärt.

Was zum Teufel ist eine Anode und eine Kathode in einer Batterie und warum ist das überhaupt wichtig? Eine Batterie ist nichts anderes als ein Medium, in dem man Elektronen von einer Seite auf die andere bewegt. Dabei laden oder entladen Sie eine Batterie mit Energie. Sie stellen dadurch entweder Energie für ein Gerät zur Verfügung, oder Sie geben Energie in das Medium ein, um sie für eine spätere Verwendung zu speichern. Vergessen Sie alle komplizierten technischen Begriffe und Maßnahmen, denn das ist alles, was Sie wissen müssen.

„Anode und Kathode sind nur die beiden Namen, die den Ort beschreiben, an dem sich die Elektronen entweder hinbewegen oder von dem sie kommen.“

Alles und jedes in unserer Welt hat Elektronen und alles und jedes hat zu einem bestimmten Zeitpunkt auch mehr oder weniger Elektronen, und wenn das passiert, verhält es sich wie eine Batterie. Sogar wir Menschen verhalten uns manchmal wie eine Batterie, und wer schon einmal seine Haare „von Geisterhand hat stehen sehen“ oder einen elektrischen Schlag von einem Zaun einer Wiese oder sogar einem anderen Menschen bekam, der weiß, wie es sich anfühlt, wenn plötzlich Elektronen fließen – es tut weh.

Batterien umgeben uns, und wir sind manchmal auch Batterien, deshalb sind Batterien auch überall und ganz normal. Der Grund, warum wir eine Batterie als Batterie bezeichnen, liegt einfach darin, dass wir sie so konstruiert haben, dass sie in der Lage ist, mehr Elektronen zu speichern, als wir normalerweise in der Natur finden, um davon Gebrauch zu machen. Die Natur ist vielfältig, und einige Tiere nutzen Elektrizität wie zum Beispiel der Zitteraal neben vielen anderen.

Von E-Autos mit elektrischem Aal-Antrieb zum Tesla Model 3

Nicola Tesla, der berühmte Erfinder, wollte die Natur zu einem Teil der Stromversorgung machen, und obwohl er bewies, dass es in einem Test auch funktioniert, hatte er zu viele Feinde und kein kommerzielles Modell, um es sinnvoll zu vermarkten. Da es auch kein funktionierendes Konzept ist, ein paar hundert elektrische Aale in einem Tank eines Autos zu geben, um es anzutreiben, wurde nach einem anderen Medium gesucht, um viele Elektronen zu speichern, und das ist Metall. Wir versuchen, viele Elektronen so zu speichern, dass sie möglichst lange in einem Metall bleiben, und wenn wir uns entscheiden, können wir sie frei fließen lassen und so ein elektrisches Gerät wie ein batterieelektrisches Fahrzeug mit ihnen antreiben.

Eine Anode und eine Kathode sind also nichts anderes als ein Ort, an dem wir mehr oder weniger Elektronen in einem Medium finden. Was wie die Namen aus einem griechischen-Drama klingt, ist also eigentlich ganz einfach. Um es für ein elektronisches Gerät zu nutzen, muss man ein Medium wählen, das eine gute Arbeit leistet um viele Elektronen zu speichern und sie auf die andere Seite fließen zu lassen und damit eine so genannte Strömung zu erzeugen. So wie ein Fluss strömt, der stetig in eine Richtung fließt. Wenn die Energie die Wassermenge ist und Ihr Fluss schmal ist, wird er mit höherer Geschwindigkeit oder Strömung fließen, damit die gleiche Energie oder das gleiche Wasser zugeführt wird, als wenn es ein breiter Fluss wäre und das Wasser langsamer fließt. Das ist schon alles was Volt und Ampere ausmachen – zwei weitere Mitglieder unseres Griechenland-Dramas.

„Ein Medium zu finden, das einen gleichmäßigen und zuverlässigen Elektronenfluss erzeugt, kann man als das Finden einer guten Batterie-Zellchemie bezeichnen. Viele Materialien, vor allem aber Metall, sind dafür geeignet und häufig vorhanden. Eines der besten Metalle ist Lithium das man fast überall auf der Erde findet.“

Um viel Strom zu erzeugen und viel Energie mit Elektronen zu speichern, braucht man viel Oberfläche, wo Anode und Kathode einander gegenüberliegen. Stellen Sie es sich das so vor wie bei einen kurzen- oder langen Fluss mit insgesamt mehr oder weniger Wassermenge. Bei einer normalen zylindrischen Haushaltsbatterie, die Sie zu Hause haben, wird diese große Oberfläche mit einem dünnen, langen, papierähnlichen Material erzeugt, das aufgerollt und in die Dose gepresst wird. Sie wären überrascht über die erstaunlich große Oberfläche, die Sie in einer kleinen Haushaltsbatterie finden, wenn Sie sie ausrollen würden. Auf jeder Seite des Papiers bringen Sie das Material auf, das Sie als Kathode und Anode verwenden möchten. Sie trennen die beiden mit etwas, das zwischen den beiden Parteien neutral wirkt und das deshalb als Separator bezeichnet wird. Anode und Kathode sollen sich in unserem Drama besser nicht begegnen, sondern immer schön auf Abstand bleiben um eine unschöne Kurzschlussreaktion zu vermeiden. Das war es dann auch schon. Die Batterie ist fertig.

Alle Hersteller bringen das Material auf diesem Papier in nasser Form auf, weil es so am einfachsten ist, sicherzustellen, dass die von Ihnen gewählten Materialien in gleichmäßiger Art und Weise aufgebracht werden können und dadurch die Elektronen gut fließen. Damit es dort, wo Sie es aufgetragen haben, gut haftet, müssen Sie es trocknen, bevor Sie es aufrollen dürfen. Da man versucht, eine möglichst große Oberfläche zu schaffen, braucht man einen unglaublich großen Raum, in dem nur einige wenige Batterieoberflächen trocknen können, und wenn man eine Massenproduktion wie Tesla hat, ist die Oberfläche, über die wir sprechen, unglaublich groß. So groß, dass Tesla vorhatte, das größte Gebäude der Welt in Nevada zu bauen, nur um eine ausreichende Batterieversorgung zu gewährleisten.

Der Trocknungsprozess benötigt Zeit, daher ist die einzige Möglichkeit, den Prozess zu beschleunigen, sie in Öfen zu trocknen, und deshalb hat die Tesla Giga-Fabrik in Nevada eine so enorme Größe. In großen Raum zu investieren, selbst wenn er sich in der Wüste von Nevada befindet, ist teuer, denn es lange dauert, all dieses Material zu trocknen. Obwohl Öfen verwendet werden, ist der Engpass der Massenproduktion von Batterien, der die Kosten und die Herstellungszeit in die Höhe treibt, der Trocknungsprozess.

Fertigungsprozess einer Batterie bildlich dargestellt

Stellen Sie sich vor, Ihre gesamte Wäsche, die Sie jede Woche waschen, müsste flach auf dem Boden liegend in Ihrem Küchenofen trocknen, und es würde Stunden dauern, bis sie trocken ist und Sie diese falten und in den Schrank legen können. Die gesamte Wäsche für die Woche zu waschen, würde auf diesem Weg vermutlich die ganze Woche dauern, da Ihr Küchenofen nur wenig Platz bietet. Um schneller zu werden kaufen Sie also 10 Öfen und blockieren das Wohnzimmer, was teuer ist, weil sie jetzt eine andere Wohnung zum Leben anmieten oder kaufen müssen. Das Waschen Ihrer Wäsche wird zu einer teuren Aufgabe.

Und nun stellen Sie sich vor, Sie waschen die Wäsche für Tausende von Menschen. Die Dimensionen von Raum, Investitionen und Energiekosten sind ungeheuer, und es wird lange dauern eine Fabrik in der erforderlichen Größe zu bauen, um alle benötigten Öfen unterzubringen.

Aber Sie haben den Ehrgeiz besser zu werden. Sie erfinden einen Prozess wie sie Ihre Wäsche trocken reinigen können. Nun können Sie alle Öfen und Fabrikräume auf einen Schlag vermeiden von denen Sie glaubten in sie investieren zu müssen. Plötzlich verflüchtigen sich viele Probleme, die es Ihnen unmöglich machten, das Geschäft schnell zu vergrößern und den Wäscheservice mehr Menschen anzubieten. Mit geringeren Investitionen und weniger Platzbedarf können Sie schneller und billiger arbeiten. Sie können jetzt niedrigere Preise anbieten, und damit steigt auch die Nachfrage. Wäre das nicht großartig?

Tesla denkt die Batterie und deren Herstellung neu!

Die Erfindung der Trockenwäsche ist das Trockenelektrodenverfahren, das Tesla erfunden und auf dem Battery Day im September in Kalifornien vorgestellt hat. Die so genannte Trockenelektrode von Tesla ermöglicht es, das Material ohne einen Trocknungsprozess aufzutragen, der ihnen all den Platz, die Zeit und die Ausrüstung erspart, in die sie bisher investieren mussten. Mit einer 75 % geringeren Investition und einer 10-mal kleineren Grundfläche und Energieeinsparung sind sie auch in der Lage, den Ausstoß um das 7-fache zu erhöhen.

Das ist eine unglaubliche Errungenschaft, die eine echte Revolution für die gesamte Batterieindustrie darstellt. Alle anderen Batteriehersteller sind nicht mehr wettbewerbsfähig und werden in kürzester Zeit hinsichtlich Kosten und Volumen eine veraltete überteuerte Technologie anbieten und deshalb vom Markt schrittweise verschwinden es sei denn sie erfinden etwas vergleichbares.

Tesla hat gerade die gesamte Batterieindustrie erschüttert und für immer verändert, weil sie leistungsfähigere Batterien billiger und schneller produzieren können, und niemand hat das bemerkt. Die Presse, die Medien die Industrie schweigt zu einer Disruption die unser aller Leben betrifft denn es geht hier nicht nur um Fahrzeuge, sondern auch um den Strom den wir in unseren Wohnungen und Häusern verwenden. Hausbatterien und Industriebatterien verändern den gesamten Markt der Stromerzeugung, -verteilung und -nutzung.

„Die Auswirkungen werden uns Jahrzehnte beschäftigen und jeden Haushalt und jede Person betreffen.“

Dieser Artikel ist im Oktober 2020 auf der US Webseite www.cleantechnica.com erschienen und wurde in der heutigen deutschen Version mit aktuellen Zahlen, Inhalten und Informationen angepasst.