Kürzlich schrieben wir in einem Artikel hinter den Begriff Kathode in Klammern die Erklärung "Pluspol". Leser Stefan J. mailte uns darauf hin, dass das nicht richtig sei. Seiner Ansicht nach wäre die Kathode der Minuspol. Darauf haben wir uns die Sache nochmal genauer angesehen.

Schnell merkten wir, dass sich das Problem mit kurzem Nachschauen im Internet nicht lösen lässt, denn dort findet man unterschiedliche Antworten. Oft heißt es in der Tat, die Kathode wäre der Minuspol (z.B. das Video von Terra X), andere sagen, die Kathode wäre der Pluspol (zum Beispiel Ingenieursmentalität). Schließlich wird auch noch die Ansicht vertreten, dass es von dem betrachteten Vorgang abhänge, zum Beispiel Herr Mathe. Was stimmt denn nun?

Erzwungene Redoxreaktion: Elektrolyse oder Aufladen

Dass viele glauben, dass die Kathode der Minuspol wäre, hängt wohl damit zusammen, dass in der Schule meist die Elektrolyse besprochen wird. Und da ist die Kathode wirklich der Minuspol. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt: Ein Stoff wird mit Hilfe von Strom zerlegt, zum Beispiel Wasser in H+-Ionen und OH--Ionen. Die H+-Ionen (Kationen) wandern natürlich zum Minuspol, OH- entlädt sich am Pluspol. Hier hilft auch die Merkregel: Kationen wandern zur Kathode, Anionen zur Anode. Das gilt aber nur für die Elektrolyse und andere, nicht von selbst ablaufende Vorgänge, wie das Laden eines Elektroauto-Akkus.

Von selbst ablaufende Elektrochemie: Entladen des Akkus

Bei von selbst ablaufenden Vorgängen spricht man von einer galvanischen Zelle. Das Entladen einer Batterie oder eines Akkus gehört zu diesen Vorgängen, bei denen man keine Energie zuführen muss. Dabei ist die Kathode der Pluspol. Ein oft verwendetes Schulbeispiel ist das Volta-Element mit Kupfer als Kathode und Zink als Anode. Kupfer ist hier das edlere Metall, das heißt, es gibt seine Elektronen nicht so gern ab wie Zink.

Steckt man ein Stück Kupfer und ein Stück Zink in Wasser (oder besser eine Säure) und verbindet diese  Elektroden über eine Stromleitung, dann bilden sich an der Zink-Elektrode Zn2+-Ionen, die in Lösung gehen. Die übrigbleibenden Elektronen laden die Zink-Elektrode negativ auf.

Dass Kathode und Anode beim Aufladen und beim Entladen die Polarität wechseln müssen, ist eigentlich auch klar, denn dabei muss sich die Stromrichtung ändern. Zum Aufladen eines Akkus legt man dazu eine Spannung an, die entgegen dem "natürlichen" Elektronenfluss gerichtet ist: Man pumpt die Elektronen gegen das elektrochemische Potenzial von der Kathode zur Anode. Die Folge ist, dass sich nun die Anode negativ auflädt. Dabei wird elektrische Energie investiert, um chemische Energie zu "erzeugen". Diese kann dann zum Fahren genutzt werden.

Ob eine Kathode positiv oder negativ geladen ist, hängt also davon ab, welcher Vorgang abläuft. Beim Entladen ist die Kathode positiv, beim Laden negativ. Das steht auch bei Wikipedia so:

"Entsprechend der elektrischen Polarität zwischen den Elektroden wird einer Kathode entweder der Pluspol (+) oder der Minuspol (−) zugeordnet. Bei freiwillig ablaufenden Redoxreaktionen, wie dem Entladevorgang von Batterien, ist die Kathode die positive Elektrode. Bei einer durch angelegte Spannung erzwungenen Redoxreaktion, wie der Elektrolyse, ist die Kathode die negativ polarisierte Elektrode." Wikipedia (Stichwort "Kathode")

Die "erzwungene Redoxreaktion" ist im Fall der Batterie das Laden.

In der Chemie gilt die folgende Definition:

Die Kathode ist die Elektrode, an der die Reduktion (also die Elektronenaufnahme) erfolgt.

So ist zum Beispiel beim Entladen einer Kupfer-Zink-Batterie die Kupfer-Elektrode die Kathode, denn hier nehmen die aus der Lösung kommenden Kationen (H+ oder Zn2+) Elektronen auf, dabei findet eine Reduktion zu H2 bzw. Zn statt. An der Anode dagegen findet die Oxidation statt. Das ist die Zink-Elektrode, denn hier wird neutrales Zink zu Zn2+ oxidiert. Diese Definitionen gelten sowohl für freiwillig ablaufende Reaktionen wie für erzwungene. 

Ausschnitt aus einem Lehrbuch (P. Atkins, Physikalische Chemie, 1. Auflage, S. 254)

Unterm Strich

Die Frage im Titel ist folgendermaßen zu beantworten: Die Kathode kann je nachdem betrachteten Vorgang Pluspol oder Minuspol sein. Beim Entladen des Akkus (also beim Elektroauto-Fahren) ist sie der Pluspol, beim Aufladen der Minuspol.