elektrochemie 2

Batterien & Akkus
	©stu2011/03/08 (last update)

Trockenbatterie Leclanché-Element, "Zink-Kohle-Batterie"

In dieser ganz normalen "Batterie" stellt der Zink-Mantel den Minus-Pol dar und ein Kohlestift, der von MnO₂ (Braunstein) umgeben ist den Plus-Pol.
An der Anode gibt es Elektronen :

Zn => Zn²⁺+ 2 e^-

Zink (ist unedler), gibt 2 e^- ab, wird oxidiert (Ox-Zahl 0 => +II)
An der Kathode werden Elektronen gebraucht:

2 MnO₂ + H₂O + 2 e^- => Mn₂O₃ + 2 OH^-

Mangan (ist edler), nimmt e^- auf, wird reduziert (Ox-Zahl +IV => +III)

Wenn +Pol und -Pol miteinander verbunden werden, fließen e^- (elektrischer Strom).

Alkali-Mangan-Batterien

Auch Alkali-Mangan-Batterien sind Zink/Kohle-Elemente. Sie sind allerdings anders konstruiert und haben KOH als Elektrolyt:

2 MnO₂ + H₂O + 2 e^- => Mn₂O₃ + 2 OH^-

Zn + 2 OH^- => Zn(OH)₂ + 2 e^-

Durch Serienschaltung lässt sich die Spannung jeweils um 1,5 V erhöhen (z. B. 4,5 V oder 9 V),
durch Parallelschaltung lässt sich die Stromstärke erhöhen.

Knopfzellen

Knopfzellen enthalten zumeist HgO (oder Ag₂O) und Zn oder es sind Zn/Luft (O₂) Batterien.
Zn => Zn²⁺+ 2 e^- und HgO + H₂O + 2 e^- => Hg + 2 OH^-

Quecksilber ist giftig, daher sollten Knopfzellen nicht im Müll landen. Das Recycling des Quecksilbers bzw. Silbers ist derzeit technisch möglich, aber nicht wirtschaftlich.

Bleiakkumulator

Akkumulatoren lassen sich wieder aufladen. Der Blei-Akku beruht darauf, dass Blei in drei Oxidationsstufen vorkommen kann: 0, +II und +IV.

Im ungeladenen Blei-Akku Zustand liegt sämtliches Blei als Pb²⁺ (PbSO₄) vor.
Beim Laden bildet sich Pb⁴⁺ und elementares Pb (Ox-Zahl = 0).

Beim Entladen bildet sich wieder Pb²⁺ (PbSO₄).

Laden:

Pb²⁺+ 2 e^- => Pb ( PbSO₄ + 2 e^- => Pb + SO₄^2- )

Pb²⁺ => Pb⁴⁺ + 2 e^- ( PbSO₄ + 4 H₂O => PbO₂ + 4 H₃O⁺ + SO₄^2- + 2 e^- )

Beim Entladen geht alles wieder zurück.

Jede Zelle des Blei-Akku liefert eine Spannung von 2 V.
In Auto-Batterien sind jeweils 6 Elemente in Serie geschalten ( = 12 V). Durch die hohe Dichte von Blei ist dieser Akkumulator sehr schwer und durch die Schwefelsäure ist er nicht ungefährlich.
Blei-Akkus können recycled werden, das Blei und die Schwefelsäure kann man wieder aufbereiten.

Andere Akkus

Für elektronische Geräte gibt es auch wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Akkumulatoren:

2 NiOOH + H₂O + 2 e^- => Ni + Ni(OH)₂ + OH^-

Cd + 2 OH^- => Cd(OH)₂ + 2 e^-

oder einfacher:

Es ist zwar umweltfreundlich mit Akkus Strom zu sparen und Müll zu vermeiden, aber gerade Nickel und Cadmium sind giftige Schwermetalle, die keineswegs in den Müll gehören. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, deren Schwermetallgehalt (Quecksilber, Cadmium) fast auf Null reduziert wurde, müssen Akkumulatoren als Sondermüll entsorgt werden.
Lithium-Batterien und Lithium-Akkus sind mit Vorsicht zu behandeln, da Lithium mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff -Gas (brennbar bzw. explosiv) reagiert.

Lithium-Ionen-Akkus

Besonders gefragt sind derzeit Lithium-Ionen-Akkus. Sie entladen sich recht langsam (bei Temperaturen bis 20° C), haben eine hohe Kapazität, keinen "Memoryeffekt" (Nachlassen der Kapazität beim Laden / Entladen) und eine sehr hohe Zyklenzahl (können sehr oft wiederaufgeladen werden).
Die Kombination Li₂MnO₂ (Kathode) und Graphit (= Kohlenstoff, Anode) ergibt eine Spannung von 3,5 V. Die Lithiumionen
"schwingen" zwischen dem Li₂MnO₂ und dem Graphit hin und her (beim Laden bzw. Entladen).
Sie werden vor allem in Kameras, Handys und Laptops eingesetzt, da bei diesen Anwendungen die günstige Relation zwischen Kapazität und Gewicht eine große Rolle spielt.

Brennstoffzellen

Die Brennstoffzelle ist schon lange bekannt, sie wurde auch in den Anfängen der Weltraumfahrt eingesetzt. Es handelt sich um ein galvanisches Element in dem aus gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff Wasser entsteht. Dabei fließt elektrischer Strom (die Umkehrung der Elektrolyse von Wasser).

Brennstoffzellen im Auto

How Batteries Work

Schreibe bei folgender Reaktion die Oxidationszahlen über die Elementsymbole:

2 MnO₂ + H₂O + 2 e^- => Mn₂O₃ + 2 OH^-

Schreibe die Teilreaktionen für die Ag₂O/Zn - Knopfzelle auf:

Reaktionsgleichung für Pb + H₂SO₄:

Schreibe die Teilreaktionen für den Ni/Cd-Akku auf:

Reaktionsgleichung für Li + H₂O:

Lösungen	Zurück zum Hauptmenü
Zurück (Spannungsreihe)	Weiter zu "Elektrolyse"