Anode und Kathode – wie funktioniert das?

Kathode – grundlegende Eigenschaften

Bei chemischen Reaktionen ist die Kathode die Elektrode, an der das Reduktionsphänomen stattfindet. Sie tritt auch in elektrochemischen Zellen auf und ist in der Regel mit diesen verbunden. In diesem Fall  hatt die Kathode eine negative Polarität, da in den Zellen eine negative Spannung vorhanden ist, die zu chemischen Analysereaktionen (Zersetzung) führt. Diese Spannung kann auch das entgegengesetzte Vorzeichen (positiv) haben, wenn die umgekehrte Situation eintritt, in der chemische Reaktionen zur Erzeugung von Strom führen. Darüber hinaus kann die Kathode als Heißkathode oder Kaltkathode bezeichnet werden. Eine Kathode, die durch das Vorhandensein eines Materials, das Elektronen emittieren kann, erwärmt wird, ist eine Heißkathode, während eine Kathode, bei der eine Emission stattfindet, eine Kaltkathode ist.

Anode – grundlegende Eigenschaften

Grundsätzlich ist die Anode in der Elektrochemie der Bereich, in dem die Oxidationsreaktion stattfindet. Normalerweise reagieren negative Ionen (Anionen) an der Anode aufgrund ihres negativen elektrischen Potenzials mit der Aufnahme von Elektronen. Diese Elektronen bewegen sich in Richtung der Quelle und zwingen sie zum Fließen. In galvanischen Zellen ist die Anode eigentlich ein negativer Spannungspol und die Elektronen bewegen sich hauptsächlich nach außen.  Eine galvanische Zelle ist daher ein einzigartiger Systemtyp. Im Gegensatz dazu hat die Anode in elektrolytischen Zellen (z. B. in Blei-Säure-Batterien, die in Autos sehr verbreitet sind) ein positives Potenzial. Außerdem kann die Anode die Form einer Platte oder eines Drahtes annehmen, die eine überschüssige positive elektrische Ladung enthalten.

Grundlegende Unterschiede zwischen Anode und Kathode

Elektrischer Ladungsfluss zwischen Kathode und Anode

Nach der allgemein anerkannten Konvention fließt der elektrische Strom in Gleichstromkreisen von der Kathode zur Anode (Elektronenfluss in entgegengesetzter Richtung), unabhängig von der Art der Zelle und ihrer Funktionsweise (Entladung oder Ladung). Die Polarität der Kathode bzw. der Anode kann je nach Funktionsweise der Zelle positiv oder negativ sein. Positiv geladene Kationen folgen immer der Richtung der Anode und negativ geladene Anionen wie Elektronen der Richtung der Kathode, auch wenn die Polarität der Kathode von der Konstruktion der Zelle abhängt und sich je nach Betriebsart ändern kann. In Zellen, in denen elektrische Ladungsenergie gespeichert wird (z. B. beim Aufladen einer Batterie), nimmt die Kathode eine negative Polarität an (die Elektronen folgen der Kathode, aus der die elektrische Ladung abfließt), und wenn Energie freigesetzt wird (z. B. beim Betreiben einer Last aus einer Batterie, d. h. beim Entladen), nimmt die Kathode eine positive Polarität an.  

Eine Batterie oder galvanische Zelle im Entladungsprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode als positiver Pol betrachtet wird, da der Strom von der Kathode fließt, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Im Inneren der Zelle wird der Strom aufgrund der durch die chemische Reaktion freigesetzten Energie von positiven Ionen aus dem Elektrolyten zur Kathode (die eine positive Polarität hat) getragen. Die Bewegung der Ionen setzt sich nach außen fort, indem Elektronen in die Zelle (oder Batterie) eingeführt werden, was zu einem positiven Strom führt (wenn der Stromkreis geschlossen ist). In einem galvanischen Daniell-Element zum Beispiel ist die Kupferelektrode eine Kathode mit positiver Polarität. Eine aufgeladene Batterie oder eine elektrolytische Zelle, in der eine Elektrolyse stattfindet, ist durch eine Kathode mit negativer Polarität gekennzeichnet. Von der Kathode fließt der Strom zurück zur Quelle (z. B. ein Autoladegerät oder ein USB-Ladegerät), da Ladung in die Zellen eingebracht wird.

Anode und Kathode in elektrochemischen Zellen

In der Elektrochemie ist die Anode die Elektrode einer elektrochemischen Zelle, an der die Oxidationsreaktion abläuft, und im weiteren Sinne die Reduktionsreaktion an der Kathode. Chemische Reaktionen, die zu einer gleichzeitigen Oxidation und Reduktion führen, werden als  Redoxreaktionen  bezeichnet – red- aus Reduktion, -ox aus Oxidation (Oxidation). Bei solchen Reaktionen ist die Kathode mit Kationen (Elektronenakzeptoren) und die Anode mit Anionen (Elektronenträger) verbunden. Die Kathode kann eine negative Polarität haben, wie bei elektrolytischen Zellen (wo die Elektrizität in die Zelle eingespeist und für die Zersetzungsreaktionen der vorhandenen Chemikalien verwendet wird), oder eine positive Polarität bei galvanischen Zellen (wo chemische Reaktionen die Ursache für die Elektrizität sind). Die Kathode liefert dann Elektronen an die Kationen (die sich durch eine positive Ladung auszeichnen), die aus dem Elektrolyten kommen.

Anode und Kathode in einer Autobatterie

Ein besonderer Fall von elektrochemischen Zellen, dem man täglich begegnet, sind die Zellen, aus denen Autobatterien bestehen. Die Batterie ist ein elektrischer Energiespeicher, aus dem bei stehendem Motor und ausgeschaltetem Motor die elektrischen Komponenten des Fahrzeugs (z. B. Radio oder Positionsleuchten) und vor dem Anlassen die Zündanlage (bei Selbstzündungsmotoren die Vorglühkerzen), die Kraftstoffpumpe und der Anlasser versorgt werden können. Bei laufendem Motor wird die Batterie von der Lichtmaschine (die über einen Keilriemen vom Motor angetrieben wird) über ein Gleichrichtersystem mit Spannungskomparator “kontinuierlich geladen”. Der erste wichtige Punkt ist, dass im Gegensatz zu gewöhnlichen Batterien, die u. a. für Uhren, Fernbedienungen oder Spielzeug verwendet werden (z. B. LR6 oder 6F22), die innere Struktur der Batterie aus mehreren (in der Regel sechs) in Reihe geschalteten Zellen besteht, wodurch sich die Spannungen der Zellen zueinander addieren, so wie sich die Widerstände von in Reihe geschalteten Widerständen addieren. Bei den meisten Blei-Säure-Autobatterien beträgt die resultierende Spannung 12 V, wobei eine tatsächliche, ordnungsgemäß betriebene Batterie im unbelasteten Zustand eine Spannung von etwa 13 V aufweisen sollte. Batterien mit 24 V oder 36 V werden am häufigsten für Elektrofahrzeuge verwendet, aber die Zellverbindung und die Herstellungstechnologie sind identisch mit denen von Batterien mit niedrigeren Spannungen. Grundsätzlich wird die elektrische Energie einer Batterie freigesetzt, wenn eine Last an ihre Pole angeschlossen wird. Die freigesetzte Energie umfasst den elektrischen Strom, d. h. die geordnete Bewegung von Elektronen – negativ geladene Elementarteilchen, die bei der Übertragung von elektrischer Energie eine Schlüsselrolle spielen.

Bei einer Batterie sind die Pole, mit denen sie mit den Verbrauchern verbunden ist, besonders wichtig. Diese Pole werden einfach als Anode und Kathode bezeichnet. Unter normalen Betriebsbedingungen findet in der Batterie der Prozess der Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie statt, bei dem durch die Oxidation der Anode (Pluspol) Elektronen freigesetzt werden. Der Strom fließt über die Kathode (Minuspol), die die von der Anode freigesetzten Elektronen aufnimmt, in die Batterie zurück. Wenn die Batterie geladen wird, kehrt sich der gesamte Prozess um. Wenn die Ausgangsspannung der Batterie nicht ausreichend niedrig ist, können eine Überentladung und ein erheblicher Elektrolytverlust die Ursache sein. Bei einer Blei-Säure-Batterie besteht die Kathode aus Platten aus Blei(II)-oxid und die Kathode aus reinen Bleiplatten. Der Elektrolyt hingegen ist eine 20%-40%ige Lösung von Schwefelsäure (VI) in entmineralisiertem Wasser. Wenn der Stromkreis mit der Batterie geschlossen ist (die Verbraucher sind an die Batterie angeschlossen), findet eine chemische Reaktion statt, bei der sich Blei-(VI)-Sulfat und Wasser bilden. Die Reaktion führt zur Emission von Elektronen, die sich zu elektrischem Strom umwandeln, der den an die Batterie angeschlossenen Verbrauchern zugeführt wird. Diese Reaktionen laufen in beide Richtungen ab, so dass die Batterie wiederholt geladen und entladen werden kann.

Anode und Kathode in einer Halbleiterdiode

Eine Halbleiterdiode  ist eines der gebräuchlichsten elektronischen Bauelemente, das in elektronischen Schaltungen und Systemen viele nützliche Funktionen erfüllen kann, wie z. B. den Schutz vor verpolten Versorgungsspannungen oder die Umwandlung (Gleichrichtung) einer sinusförmigen Spannung in eine pulsierende, gleichgerichtete Spannung. Bei Halbleiterdioden ist die Kathode am p-n-Übergang eine n-dotierte Schicht, die aufgrund der verwendeten Dotierung eine hohe Dichte an freien Elektronen und eine gleichmäßige Dichte an festen positiven Ladungen aufweist, die thermisch ionisierte Dotierstoffe sind.  

In der Anode, der n-Typ-Schicht, tritt die umgekehrte Situation ein, wo der Übergang durch eine hohe Dichte von Elektronenlöchern und feste negative Ladungen, die Elektronen einfangen, gekennzeichnet ist. Wenn die P- und N-dotierten Schichten nebeneinander gebildet werden, sorgt die Diffusion für den Fluss der Elektronen von den Bereichen mit hoher Dichte zu den Bereichen mit niedriger Dichte, d. h. von der n-Typ-Schicht zur p-Typ-Schicht.