Big Bang HTL 2, Schulbuch

Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) 127 Redoxreaktionen 9 Elektrodenreaktionen: Anode: Zn + OH – ® Zn(OH) 2 + 2e – Kathode: 2MnO 2 + 2H 2 O + 2e – ® 2MnO(OH) + OH – Alkali-Manganbatterien haben die gleiche Spannung wie das Zink-Kohle-Element, sind aber viel leistungsstärker und außerdem auslaufsicher, weshalb sie dieses mittlerweile fast völlig verdrängt haben ( F20 ). Akkumulatoren Unter den Akkumulatoren sind vor allem die Bleiakkumu- latoren als „Autobatterie“ und die Lithiumionen-Akkus für tragbare elektronische Geräte von Bedeutung. Außerdem gibt es baugleich zu den Alkalimetallbatterien (siehe Abb. 9.22) aufladbare Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren. Hier ist es besonders wichtig, dass nicht unabsichtlich versucht wird, eine Alkalibatterie aufzuladen. Diese könnte sich da- bei stark erhitzen oder gar explodieren. Blei-Akkumulator Ein 12V Blei-Akku für PKWs besteht aus sechs in Serie ge- schalteten elektrochemischen Zellen. Die Kathoden beste- hen aus Blei(IV)oxid (PbO 2 ), die Anoden aus fein verteiltem porösem Blei (Pb). Beide tauchen in den Elektrolyten aus 30%iger Schwefelsäure . Elektrodenreaktionen (Entladen): Anode: Pb(s) + HSO 4 – PbSO 4 (s) + H + + 2e – Kathode: PbO 2 (s) + HSO 4 – + 3H + + 2e – PbSO 4 (s) + H 2 O Das elementare Blei wird an der Anode zu Pb 2+ oxidiert, die frei werdenden 2 Elektronen reduzieren das Blei mit der Ladung +4 auf die Ladung +2. Es entsteht also an beiden Elektroden das gleiche Produkt Pb 2+ . Da sowohl Edukte und Produkte beider Elektrodenreaktionen Feststoffe sind und somit unbeweglich, müssen die Halbzellen nicht vonein- ander getrennt werden. Dadurch haben die Konzentratio- nen (mit Ausnahme der Schwefelsäure) keinen Einfluss auf die Spannung des Akkumulators. Das gebildete PbSO 4 lagert sich an den Elektroden ab. Dadurch ist es möglich, die Reaktion durch Anlegen einer Spannung umzukehren. Bleiakkus sind sehr belastbar und können bei geringem Widerstand sehr große Stromstärken produzieren. Theore- tisch ist der Akku unendlich oft wieder aufzuladen. In der Praxis kommt es zum Altern des Akkus , da das Bleisulfat ein größeres Volumen hat als Bleioxid oder Blei. Deshalb können sich Teile des Materials ablösen und sind dann nicht mehr an den Reaktionen beteiligt. Durch Weiterentwicklung des Akkuaufbaus konnte die Lebensdauer der Bleiakkumu- latoren stark verlängert werden. Sie werden heute nicht nur als Starterbatterie in Autos, sondern z. B. auch als Speicher bei Solaranlagen verwendet. Die Energiedichte des Blei- akkus ist durch die hohe Dichte des Bleis relativ gering . Wegen der Giftigkeit des verwendeten Materialien ist ein Recycling besonders wichtig. In Österreich liegt die Recy- clingquote bei fast 100%, das Blei kann dabei rückgewon- nen werden und auch die Schwefelsäure und die Kunststoff- teile werden verwertet ( F21 ). Lithiumionenakkus Die Akkus beruhen auf der Fähigkeit des Lithiums, sich in schichtartig aufgebaute Feststoffe einzulagern und von dort auch wieder entfernt werden zu können. Als Feststoff wird meistens Graphit verwendet. Graphit kann maximal 1 Lithi- um- pro 6 Kohlenstoffatomen einlagern. Die Kohlenstoff-Lithiumeinlagerungsverbindung bildet die Anode des Akkus. Als Kathoden materialien werden Über- gangsmetalloxide mit ebenfalls schichtartiger Struktur wie z. B. LiCoO 2 eingesetzt. Der dazwischenliegende Elektrolyt erlaubt dem Lithium, hindurchzuwandern, nicht aber den Elektronen. Beim Ladevorgang werden Übergangsmetall- Ionen oxidiert und Li + Ionen wandern in den Graphit ein. Beim Entladen wandern diese spontan zurück ins z. B. LiCoO 6 und reduzieren die Co-Ionen wieder. Elektrodenreaktionen (entladen): Anode: Li x C n C n + xLi + + xe – Kathode: Li 1 – x CoO 2 + xe – + xLi + LiCoO 2 Abb. 9.20: oben: Vereinfachter Aufbau eines Bleiakkumulators rechts: Aufbau einer modernen Autobatterie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv