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Experimentalvortrag zum Thema
Batterien und Akkus
von Susanne Moritz und Alexander Beiter
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Übersicht
- Geschichte
- Grundlagen
- Batterien
- Akkumulatoren
- Umweltschutz
- Bildungsplanbezug
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Ohne Batterien und Akkus nichts los
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Ohne Batterien und Akkus nichts los
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Historisches
Luigi Galvani (1737-1798)
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Historisches
Alessandro Volta (1745-1827)
7
Historisches
CuZn
Volta‘scher Becher
Elektroskop
8
Historisches
Hintereinanderschaltung
Volta‘sche Säule
9
Historisches
Volta-Säule (1800)
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Was ist Strom?
Unterscheidung Gleichstrom und Wechselstrom:
Batterien und Akkus sind immer Gleichspannungsquellen!
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Was ist Strom?
Menge an Ladungen (Elektronen, Ionen), die sich pro Zeiteinheit durch einen Leiter bewegen.
I=∆Q/ ∆t [A]
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Was ist Spannung?
Stärke des Antriebes für den elektrischen Strom.
U=W/Q [V] (Volta!)
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Was ist Widerstand?
Behinderung des Stromflusses.
In Gleichstromkreisen gilt für viele Metalle und Elektrolyte:
U~I U=R x I [Ω] Ohmsches Gesetz
Der Widerstand ist auch temperaturabhängig!
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Übersicht
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anziehend ...
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Verhältnisse in Elektrolyten
Der Strom in Elektrolyten besteht aus Ionen, die sich bei angelegter Spannung (Elektrolyse) in die entgegen gesetzte Richtung bewegen.
Der Widerstand ist von der Beweglichkeit der Ionenund der Temperaturabhängig.
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Batterie = Akku?
Batterien sind Primärzellen
Akkus sind Sekundärzellen
nicht wieder aufladbar
wieder aufladbar
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Batterien
Kennzeichen:
- Chemische Energie Elektrische Energie- Zwei Elektroden: Pluspol/sauerstoffreiche Verbindungen (+) Minuspol/Metall (-) Meist werden die Batterien nach der Zusammensetzung der Elektroden bezeichnet!- Elektrolyt- Trennschicht- Redoxreaktion
chem. Reaktion
» Galvanisches Element«
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Galvanische Element
Cu + 2Ag+ Cu2+ + 2 Ag
Redoxreaktion
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Galvanische Element
Cu + 2Ag+ Cu2+ + 2 Ag
Redoxreaktione-- Pol + Pol
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Zitronenbatterie» Experiment «
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Die Zitronenbatterie
Elektroden: Kupfer und Zinn/ZinkElektrolyt: ZitronensäureTrennschicht: -
Redoxreaktion:
Minuspol : Sn Sn2+ + 2e-
Pluspol : 2H+ + 2e- H2
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Die Zitronenbatterie
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Daniell-Element» Experiment «
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Daniell-Element
Elektroden: Kupfer und ZinkElektrolyt: CuSO4 und ZnSO4
Trennschicht: Tonmaterial
Redoxreaktion:
Minuspol: Zn Zn2+ + 2e-
Pluspol: Cu2+ + 2e- Cu
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Daniell-Element
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Daniell-Element
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Daniell-Element
Quantitative (mathematische) Betrachtung:
E=E0 + 0,059V lg c(Mz+)2
Halbzelle Cu2+/Cu:mit c(Cu2+) = 1 mol/l
U=E0= 0,34V
Halbzelle Zn2+/Zn:mit c(Zn2+) = 1 mol/l
U=E0= -0,76V
U=U(Cu2+/Cu) - U(Zn2+/Zn) =0,34V - (-0,76V) = 1,1V
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”Mac Gyver- Batterie”
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Aluminium-Luft-Batterie
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Aluminium-Luft-Batterie
Minuspol: Al (S) Al3+(aq) + 3e-
Pluspol (Cu): O2 (aq) +2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)
Elektroden: Aluminium und KupferElektrolyt: NaClTrennschicht: -
Redoxreaktion:
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Elektrochemische Spannungsreihe
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Aluminium-Luft-Batterie
Minuspol: Al (S) Al3+(aq) + 3e-
Wirkung Cl--Ionen: Al2O3 (s) + 8Cl- (l) + 3H2O 2[AlCl4]-
(aq) + 6OH- (aq)
Ergänzung:
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Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie
35
Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie
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Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „YUV420 codec“
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Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie
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Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie
Elektroden: Kupfer und EisenElektrolyt: H2SO4 und KBrO3
Trennschicht: -
Redoxreaktion:
Minuspol: Fe Fe2+ + 2e-
Pluspol: BrO3- + 6e- + H+ Br- + H2O
Oetken, M. & Ducci, M.: Eine unmögliche Batterie - die Wechselstrombatterie. In Praxis der Naturwissenschaften, 49 (2000) 1, S.16-17.
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Zink-Kohle-Batterie (Leclanché-Element)
Elektroden: Zink und KohleElektrolyt: NH4ClTrennschicht: Papier
Redoxreaktion:
Minuspol: Zn Zn2+ + 2e-
Pluspol: MnO2 + H+ + e- MnO(OH)
NH4+ + H2O NH3 + H+
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Alkali-Mangan-Batterie
Elektroden: Zink und BraunsteinElektrolyt: Kalilauge (”Alkali”)Trennschicht: siehe Bild
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Alkali-Mangan-Batterie
Elektroden: Zink und BraunsteinElektrolyt: Kalilauge (”Alkali”)Trennschicht: ?
Redoxreaktion:
Minuspol: Zn Zn2+ + 2e-
Zn2+ + 4 OH- [Zn(OH)4]2-
[Zn(OH)4]2- ZnO + 2OH- + H2O
Pluspol: MnO2 + H2O + e- MnO(OH) + OH-
Gesamtreaktion: Zn + 2MnO2 + H2O ZnO + 2MnO(OH)
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Akkumulatoren
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Akkumulatoren
Zwei Vorgänge:
Entladen Galvanisches ElementLaden Elektrolyse
Entladen
+ Pol
(Katode)
- Pol
(Anode)
Red
uktio
n
Oxi
datio
n
LadenUmwandlung elektr. in chem. Energie
Red
uktio
n
Oxi
datio
n
Katode(- Pol)
Anode(+ Pol)
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Eisenakkumulator » Experiment «
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Eisenakkumulator
Elektroden: KohleElektrolyt: FeSO4 (Fe2+)Trennschicht: Tonmaterial
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Bleiakkumulator (Autobatterie)
Elektroden: Blei (Anode), Bleioxid (Kathode)Elektrolyt: H2SO4
Trennschicht: ?
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Bleiakkumulator (Autobatterie)
Elektroden: Blei (Anode), Bleioxid (Kathode)Elektrolyt: H2SO4
Trennschicht: ?
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Umweltschutz
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Akku ist leer!
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