Big Bang HTL 2, Schulbuch

126 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) 9.5 Was Taschenlampe und Handy erleuchtet Wichtige Batteriesysteme Batterien und Akkumulatoren sind aus unserem täglichen Leben im Zeitalter mobiler Elektronik nicht mehr wegzu- denken. Wir wollen nun einen genauen Blick auf einige der wichtigsten dieser elektrochemischen Spannungsquellen werfen, die uns den Alltag so sehr erleichtern. Viele Kombinationen an Elektrodenmaterialien wären theo- retisch verfügbar, um die unterschiedlichsten galvanischen Zellen zu konstruieren. In kommerziell genutzten Batterie- systemen haben sich aber nur einige wenige durchgesetzt. Ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung ist, ob die Elektro- denreaktionen umkehrbar sind oder nach Verbrauch der Re- aktionspartner zu entsorgen sind. Elektrochemische Spannungsquellen, deren Reaktionen nicht umkehrbar sind, können nicht wieder aufgeladen werden und heißen Primärelemente oder Batterien . Sind die Reaktionen durch Anlegen einer elektrischen Spannung umkehrbar, kann das System wieder aufgeladen werden und wird Sekundärelement oder Akkumulator (kurz Akku) genannt. ( F19) Worin liegt eigentlich der Unterschied zwischen Batterien und Akkus? Sind in Alkalibatterien Alkalimetalle oder warum heißen die so? Wie funktioniert die Autobatterie und warum ist die so schwer, da wäre doch ein Akku wie im Handy viel praktischer oder? Wie ist so ein Handyakku aufgebaut und warum können die immer kleiner werden? Kann eigentlich auch die Energie einer Verbrennungs- reaktion genutzt werden um – wie in einer Batterie – elektrischen Strom zu erzeugen? F19 F20 F21 F22 F23 Abb. 9.17: Verschiedenste Batterie/Akkussystem: AA, Handyakku, 9V … Batterien Die häufigsten Batterien – die sich in unterschiedlichsten Formen und Größen in Taschenlampen, Spielzeugautos und ähnlichem finden – sind die Zink-Kohle-Batterien oder eher die sehr ähnlich aufgebauten Alkalibatterien. Zink-Kohle-Batterie Bei der Zink-Kohle-Batterie bildet ein Becher aus Zink die Anode, das Kathodenmaterial ist Manganoxid, das als Paste um einen Kohlestab angebracht ist. Da das Salz Man- ganoxid im festen Zustand nicht elektrisch leitfähig ist, wird der Kohlestab zum Zuleiten der Elektronen benötigt. Er ist aber an der Elektrodenreaktion nicht beteiligt. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich der pastöse Elektrolyt aus Ammonium- und Zinkchlorid in einem Trägermaterial, das auch als semipermeable Membran dient. Elektrodenreaktionen: Anode: Zn ® Zn 2+ + 2e – Kathode: 2MnO 2 + 2 e – ® 2MnO(OH) + NH 3 Die Zinkionen bilden mit dem Ammoniak einen Komplex und binden ihn so. Das Zink-Kohle-Element liefert eine Spannung von 1,5V und wird in unterschiedlichen Größen und Bauweisen produziert. Durch Serienschaltung mehrerer Elemente erhält man z. B. den bekannten 9-V-Block. Alkali-Manganbatterie Sehr ähnlich der Zink-Kohle-Batterie sind auch hier die Elek- troden aus Zink und Braunstein (MnO 2 ), als Elektrolyt kommt allerdings Kalilauge zum Einsatz. Daher kommt auch der Name „Alkali“ von alkalisch für eine Base. Die recht komplizierten Elektrodenreaktionen lassen sich in etwa so vereinfachen: Abb. 9.18: Schema einer Zink-Kohle-Trockenbatterie Abb. 9.19: Bauweisen von Zink-Kohle- und Alkalibatterien: D, C, AA, AAA und PP3 (9V) Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv