Batterie und Akkumulator
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Grundlagen zum Thema Batterie und Akkumulator
In diesem Video geht es um Batterien und Akkumulatoren. Anfangs wird dazu das grundliegende Prinzip der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie dieser beiden Apparate dargelegt und mit einfachen Skizzen umrissen. Bevor dann eine genauerer Einteilung in Primär- und Sekundärelement stattfindet. In Folge dessen werden der Aufbau und die Funktionsweise einer Batterie sowie eines Akkumulators dargestellt und erklärt. Dabei werden die in den Zellen ablaufenden Redoxreaktionen ausformuliert und beschrieben an welcher Elektrode die jeweilige Reaktion abläuft.
Transkript Batterie und Akkumulator
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Batterie und Akkumulator. An Vorkenntnissen solltest du die elektrochemische Spannungsreihe und den Begriff der Standardelektrodenpotentiale kennen. Ich möchte, dass Du beim Schauen dieses Videos ein Grundverständnis für Batterie und Akkumulator erwirbst. Der Film besteht aus fünf Abschnitten. 1. Chemische Energie in elektrische Energie 2. Primärelement und Sekundärelement 3. Die Batterie 4. Der Akkumulator 5. Zusammenfassung 1. Chemische Energie in elektrische Energie Um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, benötigt man eine energiereiche chemische Verbindung. Man muss diese Verbindung zwingen, eine geeignete chemische Reaktion einzugehen, die unter Energieabgabe abläuft. Als Ergebnis möchte man eine Spannungsquelle konstruieren, mit der man Strom gewinnt. Einer der ersten erfolgreichen Versuche, dies zu bewerkstelligen, bestand in der Konstruktion dieser galvanischen Zelle. In das Gefäß taucht einmal eine Kupferelektrode. Die zweite Elektrode ist eine Zinkelektrode. Die Kupferelektrode taucht in ein Salz, das Kupfer-II-Ionen liefert. Die Zinkelektrode taucht in ein Salz, das Zink-II-Ionen liefert. Beide Lösungen sind durch ein Diaphragma voneinander getrennt. Die Kupfer-II-Ionen nehmen Elektronen auf und es scheidet sich elementares Kupfer an der Kupferelektrode ab. Das Zink der Zinkelektrode geht als Zinkionen in Lösung, gleichzeitig werden Elektronen frei. Am Kupfer bildet sich die Katode aus, am Zink die Anode. Dieser Vorläufer unserer heutigen Batterie wird als Daniell-Element bezeichnet. Man erhält unter Normalbedingungen eine Spannung von 1,1 V. Erfunden wurde das Element 1836. Wir haben es hier mit einer elektrochemischen Spannungsquelle zu tun. Das Daniell-Element ist ein Vorläufer der Batterie und Akkumulatoren. 2. Primärelement und Sekundärelement Bei beiden handelt es sich um elektrochemischen Spannungserzeuger. Häufig spricht man auch von Primärzelle bzw. Sekundärzelle. Primärzelle und Batterie sind synonyme Begriffe. Genauso wie Sekundärzelle und Akkumulator. Eine Batterie ist nicht wieder aufladbar. Ein Akkumulator ist noch viele Male aufladbar. 3. Die Batterie Die Batterie ist ein galvanisches Primärelement, eine Primärzelle. Leclanche entwickelte 1866 eine funktionsfähige Batterie. Das sogenannte Leclanche-Element. Das Lechlanche-Element ist ein Vorläufer der Zink-Kohle-Batterie. So wird sie umgangssprachlich bezeichnet. Besser ist es aber, von Zink-Braunstein-Element zu sprechen. Die aktiven Elemente dieser Batterie sind Zink und Braunstein. Man spricht auch von Aktivmassen. Aktivmassen sind die in den Elektroden der Batterie enthaltenen Stoffen, die während der Ladung oder Entladung zu anderen Stoffen reagieren. Sie sind der Energiespeicher der Batterie. Beim Daniell-Element sind das Kupfer-II-Ionen und Zink. Beim Leclanche-Element sind die Aktivmassen Mangan-IV-Oxid, das ist Braunstein und Zink. Ich möchte diese Batterie. die heute auch noch benutzt wird, einfach mal als Braunstein-Zink-Element bezeichnen. Sie besteht außen aus einem Metallbecher. Auf der Oberfläche des Metalls befindet sich eine Schutzhülle. Nach innen schleißt sich an den Metallbecher eine Zinkschicht an. Diese bildet die Anode des Elements. Noch weiter nach innen folgt eine Ammoniumchloridschicht, daran folgt der Separator. Denkt an das Diaphragma des Daniell-Elements. Im Zentrum ist eine Grafitelektrode fixiert. Oben wird die Konstruktion durch einen Isolator geschlossen. Im Inneren des Elements wird die Grafitelektrode von Braunstein umhüllt. Braunstein nennt man chemisch Mangan-IV-Oxid. Manchmal auch, in der Technik Mangandioxid. Zusammen mit dem Kohlenstoff bildet er die Katode. Die Anode, die negative Anode, ist an der Batterie unten. Damit die Batterie funktioniert, muss ich die Schutzschicht entfernen. Die Katode, der positive Pol ist oben. Betrachten wir nun die Komponenten, die für die chemischen Reaktionen verantwortlich sind. An der Anode geben Zinkatome Ionen ab und gehen als Zinkione in Lösung. An der Katode reagieren Braunstein und Wasser unter Elektronenaufnahme. Zink reagiert mit Braunstein und Ammoniumchlorid zu Manganoxyhydroxid und Zinkdiaminchlorid. Ammoniumchlorid erfüllt die Funktion eines Lieferanten von Wassermolekülen. Der unangenehme Ammoniak, NH3, reagiert mit den Zinkionen zu einem Zinkkomplex. Die Gesamtreaktion stellt sich so dar: Zink reagiert mit Braunstein und Ammoniumchlorid zu Manganoxyhydroxid und Zinkdiaminchlorid. Wir notieren noch, dass Braunstein die Katode bildet und sind fast fertig. In der Fachliteratur nennt man diese Batterie die Zink-Braunstein-Zelle. 4. Der Akkumulator Die Batterie ist eine Primärzelle, demzufolge ist der Akkumulator eine Sekundärzelle. Kein Auto kann sich von der Stelle bewegen, ohne eine sogenannte Starterbatterie. Dabei handelt es sich um einen Akkumulator, dessen Prinzip ich erläutern möchte. Im Gefäß des Akkumulators sind zwei Elektroden, die aus Blei bestehen. Die Katode ist von Blei-IV-Oxid umhüllt. Die Elektroden tauchen in eine Schwefelsäurelösung. An der Anode reagieren die Sulfat-Ionen, So42^- mit den Bleiatomen Pb und es bildet sich unlösliches Bleisulfat. Außerdem entstehen Elektronen. An der Katode reagieren die Sulfat-Ionen mit dem Blei-IV-Oxid unter Beteiligung von Hydronium-Ionen, 4H3O^+ und es kommt zur Elektronenaufnahme. Es entstehen Bleisulfat und Wasser. In der Gesamtreaktion reagieren Blei, Blei-IV-Oxid und Schwefelsäure. Es entstehen Bleisulfat und Wasser. Außerdem wird elektrische Energie freigesetzt. Diese Reaktion beschreibt die Entladung des Akkumulators. Die Reaktion kann aber auch umgekehrt erfolgen. Dann spricht man vom Aufladen. Das kann durch ein Ladegerät erfolgen. Daher haben wir es mit einem Akkumulator zu tun. Konkret: Es ist der Bleiakkumulator. 5. Zusammenfassung In einer galvanischen Zelle wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Im Video haben wir galvanische Zellen betrachtet, die wir als Primärzellen und Sekundärzellen bezeichnen können. Primärzellen sich nicht aufladbar, Sekundärzellen sind wieder aufladbar. Zu den Primärzellen zählen das Daniell-Element, das Leclanche-Element und die Zink-Braunstein-Zelle. Als Beispiel für eine Sekundärzelle haben wir die Funktion des Bleiakkumulators erklärt. Den Bleiakkumulator kennt man besser unter den Bezeichnungen Starterbatterie oder Autobatterie. Primärzellen nennt man Batterien. Sekundärzellen sind Akkumulatoren. Das war es schon wieder für heute, ich Euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.
Batterie und Akkumulator Übung
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Bestimme den Unterschied zwischen Akkumulatoren und Batterien.
TippsBeim Daniell-Element sind $Zn$ und $Cu^{2+}$ die Aktivmassen.
LösungEine Batterie ist ein Primärelement. Diese galvanischen Primärelemente bestehen mindestens aus zwei Halbzellen, können aber auch mehrere in Reihe oder parallel geschaltet haben. Im Primärelement wird sofort nach dem Schließen des Stromkreises (z.B. Einlegen der Batterie in die Fernbedienung) eine Spannung erzeugt. Der Stromfluss erfolgt dann so lange, bis die Aktivmassen verbraucht sind. Die sogenannten Aktivmassen sind chemische Substanzen an den Elektroden, die während des Lade- oder Entladevorgangs in einer elektrochemischen Reaktion zu anderen Stoffen reagieren. Sind die Aktivmassen komplett abreagiert und ist die Reaktion nicht umkehrbar, so kann die Batterie keinen Strom mehr liefern.
Im Gegensatz zur Batterie kann der Akkumulator wieder aufgeladen werden. In ihm können die chemischen Substanzen, die beim Entladen enstehen, durch elektrische Energie (Elektrolyse) wieder in die Ausgangs-Aktivmassen umgewandelt werden. Diese liefern beim Schließen des Stromkreises erneut eine Spannung.
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Erkläre die Aufgabe der verschiedenen Substanzen in der Zink-Kohle-Batterie.
TippsDie Anode ist immer das unedlere Material.
An der Anode findet die Oxidation statt.
LösungDas Leclanché-Element ist eine Primärzelle, deren Elektroden durch Zink und Braunstein ($MnO_2$) gebildet werden.
Zink bildet als unedelstes Element die Anode, d.h. es wird zu Zink(II)-Ionen oxidiert. Die frei werdenden Elektronen wandern zum Braunstein, der reduziert wird. Zur Reduktion wird ebenfalls Wasser benötigt, dieses wird vom Ammoniumchlorid bereitgestellt:
- $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2~e^-$
- $2~{NH_4}^+ + 2~OH^- \rightarrow 2~NH_3 + 2~H_2O$
- $2~Mn(IV)O_2 + 2~H_2O + 2~e^-\rightarrow 2~MnO(OH) + 2~OH^-$
- $Zn^{2+} + 2~NH_3 \rightarrow {[Zn{(NH_3)}_2]}^{2+}$
Gesamt: $Zn + 2~MnO_2 + 2~NH_4Cl \rightarrow 2~MnO(OH) + [Zn{(NH_3)}_2]Cl_2$
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Erkläre die Funktionsweise vom Bleiakkumulator.
TippsBei einer Elektrolyse reagieren immer die aktivsten Teilchen (frei in Lösung dissoziiert).
Im entladenen Zustand des Akkus besteht die Lösung aus Hydronium-Ionen, d.h. $H^+$ und $H_2O$.
Achte auf die Oxidationszahlen des Bleis in den Verbindungen. Blei: 0 Blei(IV)-oxid: IV Bleisulfat: II
LösungDer Bleiakkumulator ist ein Sekundärelement, welches am Minuspol eine metallische Blei-Elektrode besitzt und am Pluspol eine Blei-Elektrode mit einem Überzug aus Bleisulfat. Beide Elektronen tauchen in dieselbe konzentrierte Schwefelsäure-Lösung (32%).
a.) Entladevorgang Beim Entladen findet am Minuspol die Oxidation statt, d.h. Blei ist in diesem Fall die Anode. Am Pluspol wird das Blei(IV)-oxid in Anwesenheit von Schwefelsäure reduziert, es handelt sich um die Kathodenreaktion. Solange noch Aktivmasse, d.h. $Pb$ und $PbO_2$ vorhanden ist, fließt Strom. Bei beiden Reaktionen bildet sich Blei(II)-sulfat, welches sich auf der Elektrode abscheidet.
- (-) Anode: $Pb \rightarrow Pb^{2+} + 2~e^-$
- (+) Kathode: $PbO_2 + 4~H^+ + {SO_4}^{2-} +2~e^- \rightarrow PbSO_4 + 2~H_2O$
c.) Aufladen Beim Aufladen wird Strom an die Lösung angelegt, d.h. es kommt zur Elektrolyse. Der Minuspol bildet nun die Kathode und der Pluspol die Anode. Die Elektrodenreaktionen erfolgen unter einer Überspannung, damit das Wasserstoff-Ion nicht an der Kathode zu Wasserstoff reduziert wird:
- (-) Kathode: $PbSO_4 + 2~e^- \rightarrow Pb + {SO_4}^{2-}$
- (+) Anode: $PbSO_4 + 2~H_2O \rightarrow PbO_2 + 4~H^+ + {SO_4}^{2-} +2~e^-$
- $Pb + PbO_2 + 4~H^+ + 2~{SO_4}^{2-} \rightleftarrows 2~PbSO_4 + 2~H_2O$
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Entscheide, welche Materialien zum Batteriebau benötigt werden.
TippsFür eine galvanische Zelle benötigt man einen Elektrolyt vom selben Element wie die Elektrode.
Um aus einen Metall eine Ionenverbindung zu machen, kann man es mit Säure umsetzen.
LösungUm eine Batterie aufzubauen, benötigt man zwei Halbzellen. Max und Mia wollten Kupfer als Kathodenzelle, also brauchen sie ein unedleres Material für die Anode. Das ist in diesem Fall Eisen. Ein Halbzelle muss allerdings auch einen Elektrolyten haben, mit Ionen von dem Metall, aus dem die Elektrode besteht.
Um diese wässrige Elektrolytlösungen chemisch herzustellen, muss ein Metall mit Säure reagieren:
- $M + 2~HX \rightarrow MX_2 + H_2$
Das nächste benötigte Element ist eine Salzbrücke. Dafür braucht man z.B. einen Schwamm oder anderen Stoff, der mit Kochsalz oder Kaliumchlorid getränkt ist. Dieser ermöglicht den Austausch von Ionen, sodass es keine Konzentrationsunterschiede gibt.
Jetzt müssen nur noch die Münzen und Eisen-Stücke über ein Kabel elektrisch leitend verbunden werden, dann wird sofort eine Spannung von 0,76 V erzeugt. Um das Auto zu starten müssen ca. 15 solcher Zellen in Reihe geschalten werden.
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Beschrifte das Leclanché Element.
TippsAmmoniumchlorid dient zur Bereitstellung von Wasser bei der Reduktion. Frei werdender Ammoniak komplexiert die Reaktionsprodukte der Oxidation.
LösungDas Leclanché-Element ist eine Primärzelle, deren Elektroden durch Zink und Braunstein ($MnO_2$) gebildet werden. Graphit und der Stahlmantel dienen zur Übertragung der Elektronen zwischen Anode und Kathode, sie sind in der elektrochemischen Reaktion inert.
Zink bildet als unedelstes Element die Anode, d.h. es wird zu Zink(II)-Ionen oxidiert. Die frei werdenden Elektronen wandern zum Braunstein, der reduziert wird. Zur Reduktion wird ebenfalls Wasser benötigt, dieses wird vom Ammoniumchlorid bereitgestellt:
- $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2~e^-$
- $2~{NH_4}^+ + 2~OH^- \rightarrow 2~NH_3 + 2~H_2O$
- $2~Mn(IV)O_2 + 2~H_2O + 2~e^-\rightarrow 2~MnO(OH) + 2~OH^-$
- $Zn^{2+} + 2~NH_3 \rightarrow {[Zn{(NH_3)}_2]}^{2+}$
Gesamt: $Zn + 2~MnO_2 + 2~NH_4Cl \rightarrow 2~MnO(OH) + [Zn{(NH_3)}_2]Cl_2$
Wegen der Reduktion vom Braunstein an der Kohlestabelektrode bildet diese den Pluspol und der Stahlmantel gibt den Minuspol.
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Bestimme, welche Zellen ein Primärelement sind.
TippsWas sind die Aktivmassen? Welche Elektrodenreaktionen würden diese im entladenen Zustand eingehen?
LösungEin Primärelement zeichnet sich dadurch aus, dass beim Schließen des Stromkreises sofort eine Spannung erzeugt wird. Der Strom fließt dann allerdings nur so lange, bis die Aktivmassen verbraucht sind. Bei der Elektrolyse dieser "Reaktionsprodukte" können die Ausgangststoffe nicht wiederhergestellt werden.
a.) $FeSO_4|Fe||CuSO_4|Cu$
Beim Entladen baut sich die Eisenelektrode ab und die Kupfer-Ionen aus der Lösung werden zu Kupfer. Die Aktivmassen hierbei sind: $Fe,~Cu^{2+}$. Im entladenen Zustand besteht die Lösung hauptsächlich nur noch aus Eisensulfat. Ein verschwindend geringer Teil Kupfersulfat wird ebenfalls noch vorhanden sein. Elektrolysiert man Eisensulfatlösung, so laufen folgende Elektrodenreaktionen ab:
- (-) Kathode: $Fe^{2+} + 2~e^- \rightarrow Fe$
- (-) Anode: $4~OH^- \rightarrow O_2 + 2~H_2O$
b.) $Zn{(NO_3)}_2|Zn||Ag|AgNO_3$
Die Aktivmassen dieser Zelle sind: $Zn,~Ag^+$. Im entladenen Zustand besteht die Lösung größtenteil aus Zinknitratlösung. Bei der Elektrolyse dieser Lösung würde an der Kathode Zink und an der Anode ebenfalls wieder Sauerstoff entstehen.
c.) $KOH|Cd||NiO(OH)|KOH$
Cadmium ist das unedlere Metall und bildet die Anode. Da die Elektrolytlösung Hydroxid-Ionen enthält, bildet sich an der Anode eine Cadmium-Hydroxid Schicht. An der Kathode wird das Nickeloxidhydroxid zum Nickelhydroxid reduziert. Diese Reaktionen sind durch Elektrolyse umkehrbar, da im entladenen Zustand die Metallhydroxide beider Metalle vorliegen.
- (-) $Cd + 2~OH^- \rightarrow Cd{(OH)}_2 + 2~e^-$
- (+) $2~NiO(OH) + 2~H_2O + 2~e^- \rightarrow 2~Ni{(OH)}_2 + 2~OH^-$
Gesamt: $Cd + 2~NiO(OH) + 2~H_2O \rightleftarrows Cd{(OH)}_2 + 2~Ni{(OH)}_2$
Diese Sekundärzelle wird auch als Nickel-Cadmium-Akkumulator bezeichnet.
d.) $Cl_2|Pt||Cu|CuSO_4$
Die Aktivmassen sind Chlor und Kupfer. Im entladenen Zustand besteht die Lösung aus Chlorid-Ionen und Kupfer-Ionen. Wird diese Lösung elektrolysiert, so entstehen wieder Kupfer und Chlor. Es handelt sich um eine fiktive Sekundärzelle.
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9 Kommentare
Hallo Claudia,
zu deiner Frage: Braunstein und Ammoniumchlorid müssen und dürfen sich nicht berührer. Daher wird ja auch ein Seperator mit in die Batterie eingebaut. Dieser Seperator ist jedoch für Ionen durchlässig, so dass die Hydroxidionen diesen passieren können.
* ich meine natürlich braunstein und nicht kohle
wie funktioniert das aber mit dem seperator, die Braunkohle(mangandioxid) berührt doch gar nicht das Ammoniumchlorid bzw den Elektrolyt?
hat sich schon erledigt, scheint der elektronische stromfluss zu sein.
ist die batterie im Sinne des technischen oder elektronischen Stromfluss dargestellt?