OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
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                  Energiedichte
                  Die ‚alte‘ Batterie...
Grundlagen
  Energiedichte
  Die „alte“ Batterie




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Grundlagen
Die gespeicherte
chemische Energie wird
durch elektrochemische
Redoxreaktion in
elektrische Energie
umgewandelt...
Grundlagen
    Die Elektrodenmaterialien legen die

    Nennspannung der Zelle fest.

    Kapazität C in [Ah] entnehmbare...
Grundlagen
  Energiedichte
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Energiedichte
    Die Energiedichte bezeichnet die Verteilung

    von Energie E auf eine bestimmte Größe X

    volumetr...
Energiedichte
Gewünscht ist eine hohe Energiedichte:

    um Transportkosten für den Energieträger

    gering zu halten
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Energiedichte
      Stoff/System                                                       Bemerkung
                         ...
Grundlagen
  Energiedichte
  Die „alte“ Batterie




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Die ‚alte‘ Batterie
    Noch immer sind Bleiakkumulatoren
    die verbreitetste Methode, elektrische
    Energie zu speich...
Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Natrium-Schwefel
    Übliche Batterien bzw. Akkumulatoren                 Alternative die Na/S-Batterie
                 ...
Natrium-Schwefel Probleme
    Schwefel ist ein Isolator

   Durch Zusatz von Graphitpulver elektrisch leitend gemacht.

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Vorführung einer NaS-
Batterie


                                               Positive Elektrode: Schwefel
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Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

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Lithium- und Lithiumnitrat
    Gleiches Gewicht wie Bleiakkumulatoren 7x

    Energiespeicherkapazität

    Energiedichte...
Lithium- und Lithiumnitrat
 superschnell
  nachladbare Li-Ionen
  Batterien
 In 1min = 80%
  geladen
 negative Elektrod...
Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Zink - Kohle

    Weiterentwicklungen sollen kleiner &

    regenerationsfähiger werden

    Leistung ist um 32,2% besser...
Neue Batterie-Typen
  o Natrium-Schwefel

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  o Schwefel-Lithium

  o Zink-Kohle

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Zink/Luft-Batterie
                                 Prinzip war schon Thomas Edison
                           
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Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

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  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Natrium/Nickelchlorid
    Betriebstemperatur von 300°C
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    Energiedichte von 100 Wh/kg
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    600 Ladezyklen



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Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Genetisch veränderte Viren
    Forscher entwickeln an genetisch veränderte Viren, die aktive

    Battierekomponenten mit...
Genetisch veränderte Viren
    M13-Vieren wickeln sich zu langen dünnen Zylinder auf



    Forscher ergänzten zusätzlich...
Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Körper Batterie
    2002 entwickelten Forscher eine Batterie die ihre Energie

    aus der Körperflüssigkeit von Menschen...
Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Urin Batterie
                               Eine papierdünne
                        
                               Bat...
Neue Batterietypen
  o Natrium-Schwefel

  o Lithium- und Lithiumnitrat

  o Zink-Kohle

  o Zink-Luft

  o Natrium-Nickel...
Super Caps (Kondensator)
                                 Dienen ursprünglich für
                           
           ...
Super Caps (Kondensator)
    Energiedichte 5-20 kWs/kg



    Leistungen von bis zu 10kW



    Zyklenzahl ca. 1 Million...
Tanken der geladenen
  Elektrolyt-Substanz


Das ‚Strom- Tanken’ würde dann nicht
länger dauern als das bisherige
Benzin-Z...
Quellen
Internet

http://www.buch-der-synergie.de

www.wikipedia.de

www.chemieunterricht.de/dc2/tip/index.html

http://62...
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Neue Batterie Typen

  1. 1. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
  2. 2. Übersicht Grundlagen   Energiedichte  Die ‚alte‘ Batterie Neue BatterieTypen  ○ Natrium Schwefel ○ Lithium- und Lithiumnitrat ○ Genetisch veränderte Viren ○ Zink - Kohle ○ Zink/Luft-Batterie ○ Natrium/Nickelchlorid ○ Körper Batterie ○ Urin Batterie ○ Super Caps (Kondensator) Das ‚Strom-Tanken‘  Quellen  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 2
  3. 3. Grundlagen  Energiedichte  Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 3
  4. 4. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 4
  5. 5. Grundlagen Die gespeicherte chemische Energie wird durch elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einer Ionenbrücke wird der Stromkreis geschlossen. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 5
  6. 6. Grundlagen Die Elektrodenmaterialien legen die  Nennspannung der Zelle fest. Kapazität C in [Ah] entnehmbare Ladungsmenge   hängt vom Entladestrom und der Entladeschlussspannung ab Im praktischen Gebrauch abhängig vom:   Batterietyp  der Höhe des Entladestroms  der Restspannung bei Entladungsende  des Batteriealters und der Temperatur OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 6
  7. 7. Grundlagen  Energiedichte  Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 7
  8. 8. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 8
  9. 9. Energiedichte Die Energiedichte bezeichnet die Verteilung  von Energie E auf eine bestimmte Größe X volumetrische gravimetrische Energiedichte Energiedichte Maß für die Energie Maß für die Energie   pro Raumvolumen pro Masse  Einheit Joule/m³  Einheit Joule/kg OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 9
  10. 10. Energiedichte Gewünscht ist eine hohe Energiedichte: um Transportkosten für den Energieträger  gering zu halten um hohe Betriebsdauern mobiler Geräte zu  ermöglichen um hohe Reichweiten von Fahrzeugen zu  erzielen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 10
  11. 11. Energiedichte Stoff/System Bemerkung in MJ/kg Elektrolytkondensator 0,00005 = 50 J/kg Doppelschicht-Kondensator 0,02000 Adenosintriphosphat (ATP) 0,06430 Energiespeicher in biologischen Zellen Bleiak k umulator 0,11000 stärkste Sprengstoffe 7,00000 Zink-Luft-Batterie 1,20000 Wasserstoff (inkl. Hydridtank) 1,19000 mitteleuropäische Nutzhölzer 13,00000 - 20,00000 Braunkohle 28,47000 Steinkohle 30,00000 Pflanzenöl 37,00000 Kerosin 40,00000 Dieselkraftstoff 39,60000 - 43,20000 Benzin 43,00000 Atomarer Wasserstoff 216,00000 spontane Reaktion zu H2 Radioisotopengenerator 5000,00000 elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch) Kernspaltung U-235 90000000,00000 Kernfusion (Kernwaffe) 300000000,00000 Proton-Proton-Reaktion 627000000,00000 Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne Umwandlung Masse in Energie 90000000000,00000 3,6 MJ = 1000Wh OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 11
  12. 12. Grundlagen  Energiedichte  Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 12
  13. 13. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 13
  14. 14. Die ‚alte‘ Batterie Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern, obwohl ihre Energiedichte so gering ist.  Energiedichte = 110 KJ/kg OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 14
  15. 15. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 15
  16. 16. Natrium-Schwefel Übliche Batterien bzw. Akkumulatoren Alternative die Na/S-Batterie    enthalten Schwermetalle  Viel leichter  oftmals eine zu große Masse  Probeweise zum Antrieb in Autos  reduziert ihre Energiedichte  Wieder aufladbar  Entsorgung Probleme  Reversible Redoxreaktion  Elektrolyte sind ätzend Lässt man Reduktion und Oxidation durch ein Diaphragma getrennten  Reaktionsräumen ablaufen, so baut sich eine Spannung auf. Diese beträgt ≈ 2,1 V. (Idealbedinung) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 16
  17. 17. Natrium-Schwefel Probleme Schwefel ist ein Isolator   Durch Zusatz von Graphitpulver elektrisch leitend gemacht. Reaktionsräume müssen getrennt bleiben aber über ein Leiter verbunden sein   Durch eine keramische Membran aus Aluminiumoxid  ionischen Aufbaus zugleich Elektrolyt und für Natrium-Ionen durchlässig Keramikmembran nur bei höherer Temperatur Ionendurchlässig   Akkumulator Temperatur ca. 290-350 °C Natrium reagiert leicht mit Sauerstoff und Wasser:   Die Batterie muss (vor allem, wenn sie erhitzt wird) luftdicht abgeschlossen werden Spannung und Stromstärke sind für den Betrieb eines Autos zu gering:   Reihen-Parallelschaltung Heute ist die Na/S-Batterie über das Versuchsstadium hinaus Praktische Energiedichte beträgt 0,120 kWh/kg. Sie gilt als das momentan aussichtsreichste System.  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 17
  18. 18. Vorführung einer NaS- Batterie Positive Elektrode: Schwefel Elektrolyt: ß-Al2O3-Keramik Negative Elektrode: Natrium OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 18
  19. 19. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 19
  20. 20. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 20
  21. 21. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 21
  22. 22. Lithium- und Lithiumnitrat Gleiches Gewicht wie Bleiakkumulatoren 7x  Energiespeicherkapazität Energiedichte = 200 Wh/kg  leichteste Metall  Fester Innenleiter  keine Auslaufgefahr  Dünne-Batterien  Ø=0,8mm  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 22
  23. 23. Lithium- und Lithiumnitrat  superschnell nachladbare Li-Ionen Batterien  In 1min = 80% geladen  negative Elektrode Nano-Partikeln  C = 600mAh OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 23
  24. 24. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 24
  25. 25. Zink - Kohle Weiterentwicklungen sollen kleiner &  regenerationsfähiger werden Leistung ist um 32,2% besser und  Quecksilberfrei Genauso stark und um die Hälfte billiger  als Bleiakkumulatoren OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 25
  26. 26. Neue Batterie-Typen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Schwefel-Lithium o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 26
  27. 27. Zink/Luft-Batterie Prinzip war schon Thomas Edison  bekannt Bei gleichem Energiegehalt um  80% leichter als herkömmliche Bleiakkumulatoren Energiedichte = 1,2 KJ/kg  Leicht   Zink-Annode & O2 Kathode Laptop Akkus können damit  Laufzeiten von bis zu 20 Stunden erreichen ZOXY-Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 27
  28. 28. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 28
  29. 29. Natrium/Nickelchlorid Betriebstemperatur von 300°C  Energiedichte von 100 Wh/kg  600 Ladezyklen  Ziel: 1000 Zyklen & 5 Jahre Lebensdauer  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 29
  30. 30. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 30
  31. 31. Genetisch veränderte Viren Forscher entwickeln an genetisch veränderte Viren, die aktive  Battierekomponenten mit kompakter Struktur bilden Ziel:  Ultradünn  transparente Batterieelektroden  3x mehr Energie speicherbar als mit Lithium-Ionen Sie könnte sich quasi selbst zusammenbauen  Möglich wären „unsichtbare“ Hochleistungsbatterien an  Flachbildschirmen, Handys, Laptops oder Hörgeräten Könnten aber auch zur Verbesserung von Katalysator oder  Solarzellen beitragen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 31
  32. 32. Genetisch veränderte Viren M13-Vieren wickeln sich zu langen dünnen Zylinder auf  Forscher ergänzten zusätzliche Nukleotid-Sequenzen zur  Viren-DNA Proteine bilden zusätzlich Aminosäuren die Kobalt-Ionen binden  Eine Kobaltoxidschicht bildet sich dann nach einer Reaktion mit  Wasser über die Viren Die Viren können dann als Elektrode dienen   2x größere Kapazität wie kohlenstoffbasierte Elektroden Eine Veränderung der DNA zur Bindung an Gold führt zu einer  höheren Energieausbeute von 30% OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 32
  33. 33. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 33
  34. 34. Körper Batterie 2002 entwickelten Forscher eine Batterie die ihre Energie  aus der Körperflüssigkeit von Menschen bezieht Aus der Reaktion von Sauerstoff mit Zucker   Elektronen werden dem Zucker entrissen Zwei mit Kohlestoff-Fasern werden in den Körper  implantiert Bei einer Körpertemperatur von 37ºC und einem pH-  Wert von 7,2 erreicht die Batterie eine Leistung von ca. 1,9 Microwatt Einsatz: Überwachung des Blutzuckerspiegels   nur noch nicht für höheren Energiebedarf OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 34
  35. 35. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 35
  36. 36. Urin Batterie Eine papierdünne  Batterie 0,2ml Urin = 1,5mW  Urin dient zur  Krankheitsdiagnose gleichzeitig auch als  Energiequelle OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 36
  37. 37. Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 37
  38. 38. Super Caps (Kondensator) Dienen ursprünglich für  satellitengestützte Laserkanonen Sollen nun Stromspitzen  in Elektroautos liefern, die beim Anfahren oder starken Beschleunigen nötig sind Verlängert  Batterielebensdauer um das 400fache OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 38
  39. 39. Super Caps (Kondensator) Energiedichte 5-20 kWs/kg  Leistungen von bis zu 10kW  Zyklenzahl ca. 1 Million  Energieeffizienz liegt bei ~95%  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 39
  40. 40. Tanken der geladenen Elektrolyt-Substanz Das ‚Strom- Tanken’ würde dann nicht länger dauern als das bisherige Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 % teurer sein. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 40
  41. 41. Quellen Internet http://www.buch-der-synergie.de www.wikipedia.de www.chemieunterricht.de/dc2/tip/index.html http://62.154.248.103/news/2006-6-22-11-0-31.html Literatur [1]G. Dahlke, Die Natrium-Schwefel-Batterie. Praxis (Chemie) 3/38, (1989), 14-18. [2]VEBA AG (Herausgeber): Das Elektroauto - Fakten und Argumente, Düsseldorf 1992. (Adresse: VEBA AG, Bennigsenplatz 1, 40474 Düsseldorf.) [3]R. Blume, A. Hildebrand und U. Hilgers: Umweltchemie im Unterricht. Ein praktischer Leitfaden; Cornelsen-Verlag, Berlin 1996, 279 S; (ISBN 3-464-03513-1). OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 41

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