Big Bang HTL 2, Schulbuch

128 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) Abb. 9.21: Prinzip der Lithiumionenein- lagerung im Graphit Lithiumionenakkus können hohe Spannungen bis 3,7V pro- duzieren und haben durch dessen geringe Dichte auch eine sehr hohe Energiedichte. Deshalb werden sie nicht nur in Handys und Laptops, sondern auch in Elektroautos und Hybridautos eingesetzt. Lithiumionenakkus entladen sich nur sehr langsam selbst, vor allem wenn sie weder ganz voll noch ganz leer gelagert werden. Problematisch kann bei Lithiumionenakkus ihre Empfind- lichkeit gegenüber Überladung oder Tiefentladung werden. Deshalb enthalten die meisten dieser Akkus schon elektro- nische Bauteile, die dies verhindern sollen. Optimal einsetz- bar sind diese Akkus bei Temperaturen zwischen 5 und 35 °C, darüber und darunter lässt ihre Leistungsfähigkeit extrem nach. In seltenen Fällen kann es bei Lithiumionenakkus zu Überhitzung kommen. Um dies – vor allem bei großen Zel- len wie im Elektrofahrzeugbereich – zu verhindern, verwen- det man nun häufig LiMn 2 O 4 als Kathodenmaterial, das auch viel billiger und umweltfreundlicher ist. Allerdings ist auch die Kapazität um etwa 1/3 reduziert. ( F21 ) Eine wichtige Kenngröße von Akkumulatoren ist ihre Ener- giedichte , das heißt wie viel Energie sie bezogen auf ihre Masse zur Verfügung stellen können. In diesem Bereich wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv geforscht und enorme Fortschritte erzielt. Man muss nur daran denken wie groß Mobil- telefone vor 20 Jahren sein mussten und wie klein die Handyakkus heute sind, ob- wohl unsere Mobilgeräte heute viel energieintensivere Aufgaben erfüllen. Die heute verwendeten Lithium-Akku- mulatoren können sehr viel mehr Energie pro Masse spei- chern und ermöglichen so den Betrieb energieaufwendiger Technologie. Abb. 9.22: Funktionsprinzip Lithiumionenakku Anode Kathode Abb. 9.23: Mobiltelefon der 1990er Abb. 9.24: Vergleich der Energiedichten unterschiedlicher Akkumu- latoren Info: Wasserstoffzellen Wasserstoffzellen – Energielieferant der Zukunft? (siehe auch Seite 30) Die Energie von Verbrennungsreaktionen kann direkt ver- wendet werden, um elektrische Energie zu gewinnen. Auch hier muss es nur gelingen, Oxidation und Reduktion örtlich voneinander zu trennen. Im Unterschied zu Batterien wer- den hier die reagierenden Stoffe wie das Benzin im Motor aber dauernd nachgeliefert, weshalb man sie Brennstoff- zellen nennt. Am häufigsten wird die Reaktion von Wasserstoff mit Sauer- stoff zu Wasser genutzt. Die Teilreaktionen finden unter sau- ren Bedingungen (H 3 O + Ionen) statt. Elektrodenreaktionen: Anode: 2H 2 ® 4H + + 4e – Kathode: O 2 + 4H + + 4e – ® 2H 2 O Gesamt: 2H 2 + O 2 ® 2H 2 O Die Zellen benötigen Wasserstoff als „Brennstoff“, den Sauerstoff bekommen sie aus der zugeführten Luft. Nach diesem Brennstoff nennt man diese Zelle oft auch Wasser- stoffzellen oder nach dem verwendeten Elektrolyten PEM ( P olymer E lektrolyt M embran)-Zelle. Dieser membranartige Elektrolyt ist für Protonen (H + ) durchlässig, nicht aber für Elektronen, und fungiert gleichzeitig als Salzbrücke. Die Elektroden bestehen meist aus Graphit und sind an der Reaktion selbst nicht beteiligt. i Abb. 9.25: Funktionsprinzip der Wasserstoffbrennstoffzelle Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv