1

Experimentalvortrag zum Thema

Batterien und Akkus

von Susanne Moritz und Alexander Beiter

2

Übersicht

- Geschichte

- Grundlagen

- Batterien

- Akkumulatoren

- Umweltschutz

- Bildungsplanbezug

3

Ohne Batterien und Akkus nichts los

4

Ohne Batterien und Akkus nichts los

5

Historisches

Luigi Galvani (1737-1798)

6

Historisches

Alessandro Volta (1745-1827)

7

Historisches

CuZn

Volta‘scher Becher

Elektroskop

8

Historisches

Hintereinanderschaltung

Volta‘sche Säule

9

Historisches

Volta-Säule (1800)

10

Was ist Strom?

Unterscheidung Gleichstrom und Wechselstrom:

Batterien und Akkus sind immer Gleichspannungsquellen!

11

Was ist Strom?

Menge an Ladungen (Elektronen, Ionen), die sich pro Zeiteinheit durch einen Leiter bewegen.

I=∆Q/ ∆t [A]

12

Was ist Spannung?

Stärke des Antriebes für den elektrischen Strom.

U=W/Q [V] (Volta!)

13

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!

14

Übersicht

15

anziehend ...

16

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.

17

Batterie = Akku?

Batterien sind Primärzellen

Akkus sind Sekundärzellen

nicht wieder aufladbar

wieder aufladbar

18

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«

19

Galvanische Element

Cu + 2Ag+ Cu2+ + 2 Ag

Redoxreaktion

20

Galvanische Element

Cu + 2Ag+ Cu2+ + 2 Ag

Redoxreaktione-- Pol + Pol

21

Zitronenbatterie» Experiment «

22

Die Zitronenbatterie

Elektroden: Kupfer und Zinn/ZinkElektrolyt: ZitronensäureTrennschicht: -

Redoxreaktion:

Minuspol : Sn Sn2+ + 2e-

Pluspol : 2H+ + 2e- H2

23

Die Zitronenbatterie

24

Daniell-Element» Experiment «

25

Daniell-Element

Elektroden: Kupfer und ZinkElektrolyt: CuSO4 und ZnSO4

Trennschicht: Tonmaterial

Redoxreaktion:

Minuspol: Zn Zn2+ + 2e-

Pluspol: Cu2+ + 2e- Cu

26

Daniell-Element

27

Daniell-Element

28

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

29

”Mac Gyver- Batterie”

30

Aluminium-Luft-Batterie

31

Aluminium-Luft-Batterie

Minuspol: Al (S) Al3+(aq) + 3e-

Pluspol (Cu): O2 (aq) +2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)

Elektroden: Aluminium und KupferElektrolyt: NaClTrennschicht: -

Redoxreaktion:

32

Elektrochemische Spannungsreihe

33

Aluminium-Luft-Batterie

Minuspol: Al (S) Al3+(aq) + 3e-

Wirkung Cl--Ionen: Al2O3 (s) + 8Cl- (l) + 3H2O 2[AlCl4]-

(aq) + 6OH- (aq)

Ergänzung:

34

Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie

35

Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie

36

Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „YUV420 codec“

benötigt.

37

Eine unmögliche Batterie -die Wechselstrombatterie

38

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.

39

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+

40

Alkali-Mangan-Batterie

Elektroden: Zink und BraunsteinElektrolyt: Kalilauge (”Alkali”)Trennschicht: siehe Bild

41

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)

42

Akkumulatoren

43

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)

44

Eisenakkumulator » Experiment «

45

Eisenakkumulator

Elektroden: KohleElektrolyt: FeSO4 (Fe2+)Trennschicht: Tonmaterial

46

Bleiakkumulator (Autobatterie)

Elektroden: Blei (Anode), Bleioxid (Kathode)Elektrolyt: H2SO4

Trennschicht: ?

47

Bleiakkumulator (Autobatterie)

Elektroden: Blei (Anode), Bleioxid (Kathode)Elektrolyt: H2SO4

Trennschicht: ?

48

Umweltschutz

49

Akku ist leer!