Die Daniell-Zelle ist eine Art Kupfer-Zink-Batterie, die eine poröse Barriere zwischen den beiden Metallen verwendet. Es wurde 1836 vom britischen Chemiker John Frederic Daniell erfunden. Einst in der europäischen Telegrafenindustrie weit verbreitet, wurde sie Ende des 19. Jahrhunderts durch modernere Batteriedesigns ersetzt. Heute wird es hauptsächlich im Klassenzimmer verwendet, um die Funktionsweise von Batterien zu demonstrieren.
Der italienische Wissenschaftler Alessandro Volta erfand die Batterie im Jahr 1800. Sein Entwurf verwendete eine Säule aus abwechselnden Zink- und Kupferscheiben, wobei mit Salzlake getränkte Pappstücke zwischen jedem Metallstück gestapelt waren. Diese Voltaische Säule wurde in vielen elektrischen Experimenten verwendet, hatte aber mit weniger als einer Stunde Batterielebensdauer keine wirklichen industriellen Anwendungen. Daniell hat das Design von Volta modifiziert, um eine Batterie mit längerer Lebensdauer zu schaffen, die einen praktischen Einsatz ermöglicht.
Das Prinzip hinter der Batterie von Daniell und der von Volta ist das gleiche. Ein flüssiger gelöster Stoff namens Elektrolyt – in Voltas Design die Sole zwischen den Metallplatten – beginnt das Zink und das Kupfer in positiv geladene Ionen aufzulösen. Wenn die Ionen das Metall verlassen, bleiben freie Elektronen zurück. Das Zink löst sich schneller auf als das Kupfer, was bedeutet, dass das Zink bald mehr Elektronen enthält. Verbindet man die beiden Metallteile mit einem Draht, wandern die Elektronen durch den Draht vom Zink zum Kupfer, wodurch ein elektrischer Strom entsteht.
Wenn sich Zink und Kupfer im gleichen Elektrolyten auflösen, wie in der Voltaischen Säule, verkürzen zwei Prozesse die Lebensdauer der Batterie. Wenn es ohne Stromentnahme gespeichert wird, werden die Kupferionen im Elektrolyten zum negativ geladenen Zinkanschluss gezogen. Diese Ionen koppeln sich dann mit den Elektronen im Zink und neutralisieren seine Ladung. Schließlich steht kein Zink mehr zur Auflösung zur Verfügung. Dieser Vorgang wird als Reduktion bezeichnet.
Der andere Batterietötungsprozess tritt auf, wenn Strom bezogen wird. Die Zinkionen drücken Wasserstoff im Elektrolyten zum Kupfer, wo sich der Wasserstoff an der Oberfläche aufbaut und schließlich den Stromfluss stoppt. Dieser Vorgang wird als Polarisation bezeichnet. Die Daniell-Zelle wurde als Antwort auf die Zwillingsprobleme der Zinkreduktion und -polarisation entwickelt. Es löst diese Probleme, indem es Zink und Kupfer in getrennten Elektrolyten isoliert.
Um eine Daniell-Zelle herzustellen, kann ein unglasierter Steingutbehälter mit Schwefelsäure gefüllt und ein Stück Zink darin eingetaucht werden. Der Behälter kann dann in eine mit Kupfersulfat gefüllte Kupferdose gestellt werden. Die Steingut-Barriere hält das Zink und das Kupfer auf gegenüberliegenden Seiten; dies verhindert, dass die Zinkionen Wasserstoff an das Kupfer senden, wodurch eine Polarisation verhindert wird. Es hält auch die Kupferionen vom Zink fern und verhindert so die Zinkreduktion. Daniell bezeichnete seine Zelle wegen ihrer Polarisationsverhinderung als die ständige Batterie.
Die Poren in der Barriere ermöglichen positiv geladenen Sulfationen, von der Kupferseite zur Zinkseite zu wandern. Dadurch wird der Elektronenfluss vom Zink zum Kupfer ausgeglichen, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Die von einer Daniell-Zelle erzeugte elektrische Spannung wurde als Volt bezeichnet. Der Wert des modernen Volts ist etwas anders; eine Daniell-Zelle erzeugt etwa 1.1 der heutigen Volt und hat einen Innenwiderstand von etwa 2 Ohm.