F elektrochemie

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Folien von Prof. Dr. Remo Ianniello zu der Vorlesung "Grundlagen der Elektrotechnik" an der RFH Köln.

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  • Man verwendet unter anderem in Emalierten Trinkwassererwärmern Anoden, um die Fehlstellen in der Emalierung zu schützen. Es ist bis Heute nicht möglich einen Trinkwasserspeicher so zu emalieren das keine kleinen Fehlstellen in der Emalierung vorkommen.
  • F elektrochemie

    1. 1. Elektrochemie
    2. 2. Ziele dieser Vorlesung Nach diesem Abschnitt sollten Sie ...  Die Grundbgriffe der Elektrochemie kennen.  Die Prozesse in Elektrolysezellen beschreiben können. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 2 von 59 E
    3. 3. Das Mol LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn.. 2 = 1 Paar 12 = 1 Duzend 10100 = 1 Gogol 6,02214179(30)·1023 = 1 mol Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 3 von 59 E Ein Mol von Atomen eines Stoffes wiegen so viel Gramm, wie es im Periodensystem vermerkt ist.
    4. 4. Das Mol LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn.. Aufgabe Elektronen-Mol a) Wie viel Gramm wiegen 1 mol Aluminium-Atome ? b) Berechnen Sie die Ladung von 0,6 mol Elektronen in C und Faraday. c) Wie viele Elektronen sind nötig, um die Ladung von 1.000 C aufzubauen ? d) Wie viele Elektronen strömen in drei Sekunden durch einen Drahtquerschnitt, bei Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 4 von 59 E einem Strom von 1 A ?
    5. 5. Elektrolyse-Zellen LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn.. Die Metallplatten heißen Elektroden. Wird an die Elektroden eine Gleichspannung gelegt, dann fließt nur ein sehr kleiner Strom, denn destilliertes Wasser ist ein sehr schlechter elektrischer Leiter. Bringt man aber in das Wasser etwas Salz, Säure oder Lauge ein und löst dieses gleichmäßig im Wasser auf, dann fließt ein wesentlich größerer Strom. Video: Leitfähigkeit von Wasser Wässrige Lösungen von Säuren, Basen und Salzen leiten den elektrischen Strom. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 5 von 59 E
    6. 6. Dissoziazion LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn.. Elektrisch leitende Flüssigkeiten heißen Elektrolyte. Beispiel: Kochsalz (NaCl) teilt sich in Na+ und Cl- -Ionen auf: Dissoziation. Aufgabe Dissoziation Welche andere Verbindungen gibt es, die durch Dissoziation eine volle Valenzschale erhalten könnten? Nennen Sie die Verbindung und die Produkte der Dissoziation. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 6 von 59 E
    7. 7. Der Elektrolyt Elektronen können nicht alleine durch Elektrolyten schwimmen. Sie benötigen Ionen als “Fähren” Ionen sind die einzig möglichen Ladungsträger in einem Elektrolyten. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 7 von 59 E Ladungsträger im Elekrolyten sind Anionen und Kationen. “An”-”Ion” wandert zur Anode “Kat”-”Ion” wandert zur Katode Elektron Atom Anion LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn..
    8. 8. Elektrochemische Zellen LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn.. Strom → chem. Reaktion Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 8 von 59 E Elektrolyse-Zellen chem. Reaktion → Strom Galvanische Zellen Anwendung: Raffination von Al, Cu Anwendung: Batterien, Akkus
    9. 9. Die Elektrolyse-Zelle Aufgabe 6-3 Kennzeichnen Sie in der Skizze den Elektronenstrom Kation und Anion K A Katode und Anode Katode Anode den Elektrolyten Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 9 von 59
    10. 10. Reaktionen an den Elektroden LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn.. Die chemischen Prozesse an den Elektroden verändern deren Oberfläche, z.B. durch: a) Gasentwicklungen bei der Wasserstoff-Gewinnung b) Materialzuwachs oder ‑abbau beim “Galvanisieren”; vor: e- + Me+→ nach: Me Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 10 von 59 vor: X- → nach: X + e- Anode → Oxidation Katode → Reduktion
    11. 11. Fragen 1) Ist mol eine Zahl, ein Gewicht oder eine Atommasse? Eine Zahl 2) Wie ist der Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Ladung die dabei transportiert wird? 3) Strom ist pro Zeit transportierte Ladung. 4) Wie heißen die metallischen Bauteile in der flüssigen Komponente einer Elektrolyse-Zelle? Elektroden 5) Welches sind die Ladungsträger in Metallen, welches im Elektrolyten? Elektronen bzw. Ionen 6) Warum leitet destilliertes Wasser den Strom kaum? Weil kaum Ionen (als Ladungsträger) vorhanden sind. 7) Nennen Sie Beispiele für Anionen. OH-, SO2-, Cl-, ... 4 8) Wie viel mol Elektronen bräuchten 1,5 mol Fe3+-Ionen, um el. neutralisiert zu werden ? 4,5 mol Elektronen. 9) Welche beiden grundlegenden Arten von el.chem. Zellen gibt es? Elektrolyse-Zellen und Galvanische Zellen. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 11 von 59
    12. 12. Fragen Nennen Sie ein anderes Wort für “Aufspaltung”, “Trennung”. Dissoziazion 9) Welche Stoffe dissoziieren in wässriger Lösung? Säuren, Basen und Salze. 10)In welchem Leiterstoff wird Strom in Form von geladener Materie transportiert? Im Elektrolyten 11)Was passiert chemisch an der Anode? eine Oxidation 12)Was passiert, wenn ein Cu2+-Ion an der Katode ankommt? Es setzt sich als Cu-Atom auf der Elektroden-Oberfläche ab. 13)In welchem Namen eines Ladungsträgers steckt das griechische Wort für “wandern”? Ion, Anion, Kation Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 12 von 59
    13. 13. Ziele dieser Vorlesung Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 13 von 59 E Nach diesem Abschnitt sollten Sie ...  Elektrochemische Prozesse berechnen können.  Halbzellen-Reaktionen beschreiben können.  elektrochemische Spannungsreihe anwenden können.
    14. 14. Faradays Gesetze LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn.. Michael Faraday (1791 - 1867)  war Gründer der Elektrochemie  prägte Fachausdrücke wie Elektrolyse, Elektroden, Anode und Kathode, Anion und Kation.  beschrieb die Proportionalität zwischen den an den Elektroden abgeschiedenen Massen (m) und den dabei verbrauchten Ladungen (Q): m = c Q Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 14 von 59 E Ein Ring soll versilbert werden: 1)Ring in Elektrolyt mit Silberionen (Ag+-Ionen) legen. 2)Soll sich ein Silberion auf dem Ring absetzen, muss der Ring ihm ein Elektron anbieten. 3)Dazu Ring mit Elektronen des Minus-Pols einer Spannungsquelle versorgen.
    15. 15. Faradays Gesetze LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn.. Aufgabe Beschriftung a) Beschriften Sie die Abbildung. Wo sind Kationen, Kathode, Anode und Elektrolyt? b) Wie viel mol Elektronen würde man brauchen, wenn man ein mol Silber-Ionen (= 6,022·1023 Silber-Ionen) auf dem Ring abscheiden möchte? Pro Silberion, das sich abscheiden soll, benötigt man ein Elektron. Für ein mol von Silberionen benötigt man also auch ein mol Elektronen. c) Ein Elektron hat die Ladung von 1,602.10-19 As (1 As = 1C) . Wie groß ist dann die Ladung von einem mol Elektronen? 6,022 · 1023 mal 1,602.10-19 As = 96.500 C. d) Wie viel g Silber könnte man mit dieser Ladung auf den Ring bringen? 1 mol Elektronen -> ein mol Silber = 107,87 g Silber. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 15 von 59 E
    16. 16. Faradays Gesetze LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn.. Aufgabe Silber a) Wie viel Silber (Ag+) könnte man mit Hilfe eines Akkus von 2.000 mAh auf dem Ring in der Abb. abscheiden? Wenn 1 mAh = 3.600 mAs = 3,6 As, dann liefert ein Akku die Ladung Q = 2.000 mal 3,6 As = 7.200 As. Dreisatz: 96.500 As entspricht 1 mol Silber (=107,87 g), dann 7.200 As entspricht 8 g Silber. b) Wie groß ist das "elektrochemische Äquivalent" c vom Silber in Faradays Gleichung m = c Q ? c = m/Q : Entweder c = 107,87g / 96.500 As, oder c = 8g/7.200 As = 1,118 mg/As c) Wie lange bräuchte man für die Abscheidung von 10 g Silber, wenn man dazu eine Batterie mit 1,5 V verwen-den würde? Der Widerstand der Leitung betrage 10 Ω. t = Q/I = QR/U, Q aus10g Ag = 10g/107,87 g/mol Ag = 92,7 mmol, also 8945,55 C, t = 16h 34min Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 16 von 59 E
    17. 17. Faradays Gesetze LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn.. Aufgabe Cu++ a) Wie schwer ist ein mol Kupfer-Atome? 63,55 g b) Ein mol Cu++ Ionen wandern im Elektrolyten zur Katode. Wie viele mol Elektronen bräuchte man dort, um sie zu neutralisieren und damit auf der Katode als metallisches Kupfer abzuscheiden? Pro Kupfer-Ion zwei Elektronen. Für 1 mol Kupfer zwei mol Elektronen. c) Wie groß ist das elektrochemische Äquivalent von Kupfer Cu+? 1 mol Elektronen (96.500 C) neutralisieren 1 mol Kupfer (63,54g). Damit ist c = 63,54g / 96.500 C = 0,66 mg/C. E Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 17 von 59
    18. 18. Faradays Gesetze LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn.. Aufgabe Fe 3+ Bestimmen Sie das elektrochemische Äquivalent von Fe3+ 1 mol Elektronen (96.500 C) neutralisieren 3 mol Eisen (55,84g). Damit ist c = 55,84g / (3x96.500 C) = 0,19 mg/C. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 18 von 59 E
    19. 19. Faradays Gesetze LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn.. Aufgabe Cu a) Bestimmen Sie die elektrochemischen Äquivalente für Cu und SO4 in einer wässrigen Kupfersulfat-Lösung. Pro Kupfer-Ion zwei Elektronen. 0,66 mg/C : 2 = 0,33 mg/C. m(SO4) = (32+64)g/mol, c = 96g/(2·96.500C) = 0,5 mg/C b) Welche Kupfermasse (Cu+) fließt bei 1 A in 1 Minute auf die Elektroden-Oberfläche? m = c Q = c I t = 0,66 mg/C 1A 60s = 40 mg Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 19 von 59 E
    20. 20. Galvanische Zellen LLeerrnnzziieell:: HHaallbbzzeelllleenn--RReeaakkttiioonneenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn.. Was passiert in einer Halbzelle? Taucht man ein beliebiges Metall in eine Lösung, lösen sich immer einige Atome von der Oberfläche dieses Metalls und werden zu Ionen in der Lösung. Dabei lassen sie ein oder zwei Elektronen im Metallgitter zurück. Video: Kupfer geht in Lösung Von jedem Metall, das man in eine Flüssigkeit taucht, lösen sich Atome. E Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 20 von 59
    21. 21. Galvanische Zellen LLeerrnnzziieell:: HHaallbbzzeelllleenn--RReeaakkttiioonneenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn.. Dieses Phänomen ist bei allen Metallen zu beobachten, aber es ist bei jedem Metall unterschiedlich stark ausgeprägt. Das eine Metall (z.B. Zink) gibt viele, das andere (z.B. Kupfer) gibt wenige Kationen in Lösung. Je mehr Oberflächenatome in Lösung gehen, desto „unedler“ das Metall E Aufgabe Zinkstab Was passiert, wenn man einen Zinkstab (unedel) in eine Lösung gibt, in der Kupfer-Ionen (edel) schwimmen? Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 21 von 59
    22. 22. Galvanische Zellen LLeerrnnzziieell:: HHaallbbzzeelllleenn--RReeaakkttiioonneenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn.. Was passiert, wenn man einen Zinkstab (unedel) in eine Lösung gibt, in der Kupfer- Ionen (edel) schwimmen? Lösung Video: Elektrolytische Tauchabscheidung Das chemische Potenzial ist ein Maß für die Zahl der Atome, die in Lösung gehen. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 22 von 59 E Zn gibt Oberflächen-Atome in Lösung → Zn+ Zn+ und Cu+ sind gleichzeitig in Lösung. Kupfer ist edler, d.h. es die stärkere Tendenz, sich an der Oberfläche abzuscheiden. Diese Tendenz heißt „chemisches Potenzial“. Cu-Ionen scheiden sich an der Zn-Fläche ab.
    23. 23. Galvanische Zellen LLeerrnnzziieell:: HHaallbbzzeelllleenn--RReeaakkttiioonneenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn.. Aufgabe a) Welche chemische Reaktion läuft an jeder der beiden Elektroden ab, sobald sie sich in dem Elektrolyt befinden? b) Zink und Kupfer haben unterschiedliche chemische Potenziale. Das von Kupfer ist positiver als das von Zink. Was folgt daraus für das Zink im Vergleich zur Kupfer-Elektrode? c) Fließt ein Strom, wenn man die beiden Elektroden aus der Abbildung über einen Draht miteinander verbindet? d) Welche chemischen Reaktionen laufen nun in den Halbzellen ab? Video: Batterie Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 23 von 59 E
    24. 24. Opfer-Anode LLeerrnnzziieell:: HHaallbbzzeelllleenn--RReeaakkttiioonneenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn.. E Schrittweiser Abbau der Opferanoden aus einem Trinkwasser-Tank. Rechts eine ungebrauchte, links eine vollständig aufgelöse Opferanode (auch der Tank ist durch Korrosion angegriffen) Opferanoden besitzen eine große Differenz in der elektrochemischen Spannungsreihe, z. B. bei Stahl – Magnesium: 2,3 Volt. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 24 von 59
    25. 25. Redox-Paare LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Was bewirkt das chemische Potenzial ? Ein Metall Me wird in eine Lösung getaucht. Je nach Metallsorte gehen unterschiedlich viele Me als Kationen Me+ in Lösung ihre Elektronen verbleiben im Metall. Elektroden, die wenig Atome verlieren (Cu), sind “edler“ als solche, die viele Atome verlieren (Zn). Die zurück gebliebenen Elektronen laden die Elektrode negativ auf. Die Elektrode erhält ein negatives Potenzial. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 25 von 59 E Je edler das Metall, desto positiver sein elektrisches Potenzial.
    26. 26. Redox-Paare LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Beispiel Von der Metallsorte Kupfer Cu gehen weniger viele Atome als Kationen Cu+ in Lösung als von Zink (Zn). Ein Atom (Me) und das oxidierte Kation (Me+) bezeichnet man als Redoxpaar. Das Redoxpaar Cu/Cu+ erzeugt weniger Elektronen in der Elektrode, als das Redoxpaar Zn/Zn+ Die zurück gebliebenen Elektronen laden die Elektrode negativ auf. Die Kupfer-Elektrode hat ein positiveres Potenzial als die Zink-Elektrode. Ein Redoxpaar besteht aus dem Atom und dem Ion eines Elementes. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 26 von 59 E
    27. 27. Spannungsreihe LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Durch Kombination zweier Redoxpaare kann man ihre Potenziale miteinander vergleichen. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 27 von 59 E Zwei Redoxpaare liefern eine Spannung
    28. 28. Spannungsreihe LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Ordnet man die Redoxpaare nach der Größe ihrer Standard-Potenziale, erhält man die elektrochemische Spannungsreihe. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 28 von 59 E Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Tabelle mit den Potenzialen verschiedener Elektroden-Materialien.
    29. 29. Spannungsreihe LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Aufgabe Standard-Potenziale a) Welches ist das Standard-Potenzial für die Reduktion von Cu++? + 0,35 V. b) Welches ist das Standard-Potenzial für die Oxidation von Cu++? - 0,35 V. c) Welches ist das Standard-Potenzial für die Reduktion von Zn++? - 0,76 V d) Welches ist das Standard-Potenzial für die Oxidation von Zn++? + 0,76 V Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 29 von 59 E
    30. 30. Spannungsreihe LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Aufgabe FeZn Eine Zelle bestehe aus einer Zn und einer Fe-Elektrode, die jeweils in einer Lösung aus Zn2+ bzw. Fe3+ -Ionen eingetaucht sind. a) Welche Redox-Reaktion wird stattfinden? Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 30 von 59 E 3Zn → 3Zn2+ + 6e- (+0,76 V) und 2Fe3++ 6e- → 2Fe (-0,02 V) ergibt: 3Zn + 2Fe3+ → 2Fe + 3Zn2+ a) Welche Spannung wird eine solche Zelle liefern? 0,74 V
    31. 31. Zitronenuhr LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn.. Aufgabe Wie arbeitet die Zitronenuhr mit einer Büroklammer aus Stahlblech und einem Cent-Stück (enthält Kupfer) als Elektroden? ● Stahlblech der Büroklammer = unedler = Anode ● Kupfer des Centstücks = edler = Katode ● Zitronensaft = Elektrolyt ● Die Spannung Zw. Kupfer und Stahl betreibt die Uhr Welches Bauteil löst sich mit der Zeit auf? Büroklammer Was würde passieren, wenn die Büroklammer durch ein Centstück ersetzt würde? keine Spannung, Uhr funktioniert nicht Video: Die Zitronenbatterie Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 31 von 59 E
    32. 32. Ziele dieser Vorlesung Nach diesem Abschnitt sollten Sie ...  Einige Fakten zu Batterien kennen.  Grundlegende Eigenschaften der Akkus kennen.  Aussagen zur Wirtschaftlichkeit galvanischer Zellen treffen können.  Akkus effektiv und lange verwenden können. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 32 von 59 E
    33. 33. Reale galvan. Zellen Batterien werden beschrieben durch ihre  Leerlaufspannung UAB,  den Kurzschlussstrom IK und  den Innenwiderstand Ri LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn.. Batterien werden in einer Schaltskizze dargestellt durch eine Ohne Belastung wird zwischen den Klemmen A und B die Spannung UAB gemessen. Im Kurzschluss (UAB = 0) fließt zwischen den Klemmen A und B der Kurzschlussstrom IK . Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 33 von 59 Ersatzschaltung aus  idealer Spannungsquelle und  Innenwiderstand.
    34. 34. Reale galvan. Zellen LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn.. Der Innenwiderstand wird auch Impedanz genannt. Eine hohe Impedanz begrenzt den Stromfluss des Galvanischen Elements. Beispiel An einer 1,5 V Batterie werde ein Kurzschlussstrom von 3A gemessen. Welche Größe kann man daraus ableiten? Die Impedanz Wie groß ist die Impedanz? R = U / I = 1,5V / 3A = 0,5Ω Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 34 von 59
    35. 35. Batteriegrößen Beispiel AR40 Was besagt der Buchstabe A? (Auf der nächsten Folie ist eine hilfreiche Tabelle eingefügt) dass es sich um eine Zink-Luft-Zelle handelt Wofür steht der Buchstabe R? Rundzelle Welche Bedeutung hat die Ziffer 40? Zellengröße Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 35 von 59 Panasonic IEC * US-amerikanisch LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn.. * IEC = International Electrotechnical Commission
    36. 36. Batteriegrößen LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn.. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 36 von 59 Auszug aus der IEC-Norm
    37. 37. Batterien LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn.. Die Batterie oder Trockenbatterie, ist offiziell eine sog. Primärzelle: Warum “Primär” ? weil sie nach einmaliger Entladung verbraucht ist Eine der beiden Zellen rechts ist ein sog. Leclancè-Element, eine erste Bauweise einer tragbaren Batterie. Woran erkennt man es? Übertragen Sie – wo möglich - die Bauelemente dieser Ur-Batterie auf die Schnittdarstellung der Zink- Kohle-Batterie. Wo befindet sich was? Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 37 von 59 E Warum “Zelle” ? weil sie nur ein einziges Elektrodenpaar aufweist
    38. 38. Batterien LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn.. Es gibt Alkali-Mangan- und Zink-Kohle-Batterien. Alkali-Mangan-Batterien heißen so, weil ihr Elektrolyt ein Element der ersten Hauptgruppe (Alkalimetalle, z.B. Li, Na, K) im PSE enthält, meist eben Kalium in der Verbindung KOH. Eine Zink-Kohle Batterie besteht aus einem Zink-Behälter in dem sich Salmiaklösung und Braunstein befinden. In dieser Füllung der Zink-Kohle Batterie befindet sich ein Kohlestift. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 38 von 59 E
    39. 39. Fragen Nennen Sie ein galvanisches Element. Akkumulator, Batterie 1) Was befindet sich in einer galvanischen Zelle zwischen Katode und Anode? Ein Elektrolyt. 1) Woraus besteht die Anode einer Batterie meistens? Aus Zink. 2) Welche Elektrode bildet den positiven Pol einer Batterie? Die Katode. 1) Welche Bausteine befinden sich in der Ersatzschaltung einer Batterie? Ideale Spannungsquelle und Impedanz. 1) Was ist ein Kurzschlussstrom? Der Strom, der direkt (ohne Umleitung über einen Verbraucher) vom Plus- zum Minuspol fließt. 1) Wie nennt man den Innenwiderstand eines Galvanischen Elements noch? Impedanz. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 39 von 59 E
    40. 40. Fragen Ist eine Babyzelle größer als eine Monozelle? Nein: Micro, Mignon, Baby, Mono 8) Wie kann man mit einfachsten Mitteln aus zwei verschiedenen Metallen eine Batterie herstellen? Indem man beide über einen Elektrolyten miteinander verbindet. 8) Sortieren Sie die folgenden Metalle so, dass das edelste zuerst und das unedelste zuletzt genannt wird: Zink, Zinn, Kupfer, Magnesium Kupfer, Zinn, Zink, Magnesium 8) Wofür steht bei der Bezeichnung einer Batterie der Buchstabe L? für eine Alkali-Mangan-Batterie 8) Lässt sich aus der amerikanischen Kennzeichnung “AAA” erkennen, ob es sich um eine Zink-Kohle-Batterie handelt? Nein, da AAA nur die Größe, aber nicht den Batterietyp angibt. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 40 von 59
    41. 41. Akkumulatoren LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Die meisten verbreiteten Rundzellen werden in Wickeltechnik hergestellt: Die positive und die negative Elektrode werden – getrennt durch den Separator – in Streifen übereinander gelegt und aufgewickelt. Im Akku befindet sich ein flüssiger, gelartiger oder sogar fester Elektrolyt. Beim Laden der Zelle entsteht Wasserstoff. Wird der Akku zu heiß (z.B. beim Auf-laden), dehnt sich der Wasserstoff aus. Ein Teil des Wasserstoffs wird durch das Überdruckventil im Deckel ausgeblasen, um ein Platzen zu verhindern. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 41 von 59 E
    42. 42. Kapazität LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 42 von 59 Luftballon: enthält umso mehr Luft, je stärker der Druck, mit dem die Luft hinein gedrückt wird. Akku: enthält umso mehr Ladung, je stärker die Spannung, mit dem die Ladung hinein gedrückt wird.
    43. 43. Kapazität Mit der Spannung U wird der Akku solange mit Ladung gefüllt, bis die Gegenspannung im Akku gleich groß ist. LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 43 von 59 Der Wert der Spannung ist auf dem Akku angegeben Die Einheit der Kapazität ist das Farad (nach Michael Faraday). Mit dem Druck p wird der Luftballon solange mit Luft gefüllt, bis der Gegendruck im Luftbalon gleich groß ist. Kapazität= Luftmenge Überdruck
    44. 44. Kapazität LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Aufgabe NiMH-Akku Wie groß ist die Ladung eines NiMH-Akkus mit 2.000 mAh ? 2 A · 3.600 s = 7.200 C Wie groß ist die (echte) Kapazität des Akkus? C = Q/U = 7.200 C / 1,2 V = 6.000 F Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 44 von 59
    45. 45. Kapazität LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Aufgabe 12 Stunden Ein Akkumulator (1,2 V) wird 12 Stunden lang mit einem konstanten Strom I = 56 mA geladen und ist dann voll. Verluste sollen zunächst unberücksichtigt bleiben (Ladewirkungsgrad η = 1). a) Berechnen Sie die dem Akkumulator zugeführte Ladungsmenge. Q = It = 56·10-3 A ·(12 · 3.600 s) = 2,42 kC a) Wie groß ist die Ladungsmenge, wenn der Wirkungsgrad des Ladegeräts nicht 100% sondern 93% beträgt? Qges = Q·η = 2,25 kC b) Standardmäßig kalkuliert man das 1,4-fache der erforderlichen Zeit, um die Verluste zu berücksichtigen. Wie lange dauert die Aufladung dann im Fall a) ? t ' = 1,4· t = 16,8 h Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 45 von 59 E
    46. 46. Kapazität LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Aufgabe 1.800 mAh Ein Akkumulator (1,2 V) hat eine Ladung von 1.800 mAh. a) Wie groß ist der erforderliche Ladestrom I, wenn die Ladungszeit 12 Stunden betragen soll und der Ladewirkungsgrad mit η = 0,8 angenommen wird ? I = Q / (t·η) = (1,8 Ah) / (12h · 0,8) = 187,5 mA a) Wie groß ist die Kapazität C des Akkus ? C = Q/U =(1,8 A·3.600 s) / 1,2 V = 5,4 kF Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 46 von 59 E
    47. 47. Kapazität LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn.. Aufgabe 5,8 Ampere Ein Akkumulator (1,2 V) wird 2 Stunden und 40 Min. lang mit einem Strom von I = 5,8 A geladen. Wie groß ist – unter Berücksichtigung der Standardverluste – die in den Akku gedrückte Ladung ... a) in Ah? Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 47 von 59 E Q = I·t / 1,4 = (5,8 A · 2,667 h) / 1,4 = 11 Ah a) in As ? Q = I·t / 1,4 = (5,8 A · 9.600 s) / 1,4 = 39,78·103 As
    48. 48. Fragen Eine Kamera verbraucht bei 4 Volt einen Strom von rund 300 mA. Welche elektrische Leistung ergibt sich daraus? 1,2 W 1) In welcher Einheit wird die elektrische Arbeit angegeben? Ws, Wh oder kWh. 2) Welche Einheit und welche Bedeutung hat die Zahl, die auf Akkus angegeben ist? mAh = Ladungseinheit 3) Wie verhält sich die Spannung einer Zelle, wenn ihr ein immer größerer Strom entzogen wird? Die Spannung wird immer kleiner. 4) Welche Spannung hat eine unbelastete Trockenbatterie, welche ein NiMH-Akku? 1,5 V bzw. 1,2 V 5) Drücken Sie die Ladung von 360 mAh in Coulomb aus. 0,36A · 3.600s = 1.296 C 6) Was stellt die nebenstehende Abbildung dar? Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 48 von 59
    49. 49. Fragen zum Film LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Film D-6: Akku vs. Batterie Woher kommt die Bezeichnung “Alkali-Batterie”? Der Elektrolyt enthält ein Alkalimetall. 1. Wie oft lässt sich ein Akku wieder aufladen? Mehrere hundert Male. 2. Wieviel mehr Ladung als in einer Batterie passt in die NiMH-Akkus? Etwa 5 mal so viel. 3. Die Akkus haben einen höheren Innenwiderstand als die Batterien – stimmt das? Nein, umgekehrt. 4. Warum ist bis vor kurzem die Verwendung von Batterien bei manchen Geräten sinnvoller gewesen? Wegen der geringeren Selbstenladung setzte man sie in Geräte mit geringem Strombedarf ein (Wanduhr, Fernbedienung ...) 5. Was darf man mit verbrauchten Batterien aus Umweltschutzgründen nicht machen? Die Batterien dürfen nicht mit dem Hausmüll entsorgt werden. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 49 von 59
    50. 50. Akkumulatoren LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Aufgabe Überprüfen Sie die Behauptung, dass es billiger sei, Akkus zu verwenden. Vergleichen Sie 4 Akkus (NiMH, 2.000 mAh, Preis:12,- €), die 700 mal in einem Ladegerät (30,-€) mit einem Ladewirkungsgrad von 71% aufgeladen werden Strompreis 20 ct/kWh Alternative: 4 mal 700 Alkali-Batterien (3,50 € für den 4er Pack). Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 50 von 59 E
    51. 51. Akkumulatoren LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Aufgabe Um welchen Faktor sind Batterien, die 4 Akkus ersetzen, teuer, wenn folgende Umstände gegeben sind ? Akku-Typ: NiMH, 2.500 mAh, 14,- Euro für 4 Stück, 500 mal wieder aufladbar, Ladegerät, digital, Einzelkammer-Steuerung, 35,- €, Wirkungsgrad 93% Strompreis 18,5 ct/kWh, Preis von 4 Alkali-Mangan-Batterien: 4,20 € Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 51 von 59 E
    52. 52. Akkumulatoren LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Die Zellenspannung von Trockenbatterien sinkt bei Belastung mit der Zeit kontinuierlich, währen sie bei Akkus zwar anfangs etwas absinkt, dann aber über einen langen Zeitraum weitgehend konstant bleibt. NiCd‑ u. NiMH‑Akkus halten die Spannung konstanter als Trockenbatterien: Ihre Spannungslage ist besser. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 52 von 59 E
    53. 53. Selbstentladung LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Durch Selbstentladung verliert ein Akku innerhalb von 1 Monat etwa 10% seiner Ladung. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 53 von 59 E Je wärmer ein Akku lagert, um so höher seine Selbstentladung Seit 2006 gibt es NiMH-Akkus, die nach Herstellerangaben eine sehr geringe Selbstentladung von weniger als 20 % nach einem Jahr aufweisen. Die ersten dieser Akkus waren: Sanyo eneloop, Ansmann MaxE, Uniross Hybrio und AccuLoop. Diese Akkus kommen im voll geladenen Zustand in den Handel und lassen sich sofort verwenden. Neuartige Akkus Die Selbstentladung von Akkus beträgt ca. 10% pro Monat.
    54. 54. Selbstentladung LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 54 von 59
    55. 55. Memory-Effekt LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn.. Unter dem Memory-Effekt versteht man das Phänomen, dass ein Akkus sich daran „erinnert“, bis zu welcher Kapazität er beim letzten Mal entladen wurde. Dadurch sinkt die Spannungslage im Restverlauf ab. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 55 von 59 E Gegenmaßnahmen: den Akku so weit entleeren, bis das Gerät abschaltet:“Geräte- Abschaltspannung“ abwarten. oder Ladegerät mit Entladefunktion verwenden. Jede Zelle wird erst entladen bevor sie geladen wird.
    56. 56. Fragen Nennen Sie einen anderen Namen für “Batterie”. Primärzelle, galvanische Zelle 1) Welche Batteriearten gibt es? Alkali-Mangan-Batterie und Zink-Kohle-Batterie. 2) Welche Batterie hat eine ca. drei mal höhere Energiedichte als welche andere Batterieart? Alkali-Mangan-Batterie im Vgl. zur Zink-Kohle-Batterie 3) Was ist ein Akku? Eine wieder aufladbare Batterie 4) Nennen Sie einen anderen Namen für “Akku”. Sekundärzelle. 5) Wird Zink in einer Zink-Kohle-Batterie reduziert oder oxidiert? Oxidiert 6) Welches Ende einer Batterie ist die Katode? Das mit dem Knopf. 7) Was ist unter der Katode eines Akkus verborgen? Ein Druckventil. 8) Welche Akkutypen gibt es? Bleiakku, NiCd, NiMH, Li-Ion, Li-Po 9) Welche Spannung hat ein Rundzellen-Akku? 1,2 V 10)Welchen Einfluss hat die Umgebungstemperatur auf die Selbstentladung eines Akkus? Mit der Temperatur steigt die Selbstentladung an. 11)Durch was für eine “Lage” ist eine Zelle gekennzeichnet, deren Spannung im Laufe der Benutzung relativ wenig abnimmt? Durch eine gute Spannungslage. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 56 von 59
    57. 57. -ΔU - Ladeverfahren LLeerrnnzziieell:: AAkkkkuuss eeffffeekkttiivv uunndd llaannggee vveerrwweennddeenn kköönnnneenn.. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 57 von 59 E
    58. 58. Akkupflege LLeerrnnzziieell:: AAkkkkuuss eeffffeekkttiivv uunndd llaannggee vveerrwweennddeenn kköönnnneenn.. Tipps für ein langes Akkuleben 1) Besorgen Sie sich ein Ladegerät mit Entladefunktion und Überladungsschutz. 2) Entladen Sie Akkus vor jeder Aufladung. 3) Lagern Sie Akkus nur in geladenem Zustand, sonst zerstört die Tiefenentladung den Akku. D-7: Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 58 von 59 E
    59. 59. Fragen zum Film LLeerrnnzziieell:: AAkkkkuuss eeffffeekkttiivv uunndd llaannggee vveerrwweennddeenn kköönnnneenn.. Ein Ni-MH-Akku speichert umso weniger Ladung, je öfter er benutzt wird? Ja. 1. Sollte ein NiMH- gegen einen NiCd-Akku ausgewechselt werden? Nein, umgekehrt. 2. Welche Akku-Art wird zur Zeit in Notebooks verwendet ? Li-Ionen-Akkus. 3. Akkus werden zerstört durch Tiefenentladung. Was ist das ? Entladung auf unter 0,8 V. 4. Kann ein Akku durch die Selbstentladung tief-entladen werden? Ja. 5. Bei niedrigeren Temperaturen entlädt sich ein ausgebauter Akku langsamer. Sollte man den Akkus im Kühlschrank lagern? Nein, das Kondenswasser koorodiert die Kontakte. 6. Welche Akku-Art wird mittlerweile bei Handys bevorzugt eingebaut ? Li-Polymer-Akkus. 7. Wie lange dauert es ungefähr, bis man einen neuen Akku braucht? 2 Jahre. Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 59 von 59 E
    60. 60. Akku-Vergleich LLeerrnnzziieell:: AAkkkkuuss eeffffeekkttiivv uunndd llaannggee vveerrwweennddeenn kköönnnneenn.. Elektrochemie E Prof. Dr. Remo Ianniello 60 von 59
    61. 61. Fragen Kann man Ni-Cd- einfach gegen Ni-MH-Akkus austauschen? Ja. 1. Können Akkus mit ihrer Nennspannung von 1,2V in Geräten verwendet werden, die mit alkalischen Zellen von je 1,5 V betrieben werden? Ja. 2. Was kann man beim Laden falsch machen? Tiefen-Entladen, Überladen, zu früh laden. 3. Spielt die Umgebungstemperatur beim Laden eine Rolle? Nein 4. Ist der Akku nach einer Tiefenentladung kaputt? Ja. 5. Soll man den Akku bei längerer Nichtbenutzung aus dem Gerät nehmen? Ja. 6. Wie sollte ein Akku gelagert werden ? Kühl, geladen und trocken 7. Ist es normal, dass die Akkus beim Laden warm werden? Ja. 8. Ein Akku mit der Ladung von 1.300 mAh soll bei einem Ladestrom von 140 mA geladen werden. Wie lange dauert der Aufladevorgang? 13 h Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 61 von 59 E

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