103Redoxreaktionen – Elektrochemie Trendsetter Lithium-Ionen-Akkus Modellversuch Hinweis: Unter Chemie 2000+ Online finden Sie Informationen, weitere Versuchsvarianten und Nachweise zu diesem Experiment. V1 Füllen Sie in ein Schnappdeckelglas eine Lösung aus 0,6 g Lithiumchlorid* LiCl und 15 mL Dimethylsulfoxid (DMSO). Setzen Sie als Elektroden zwei Graphitminen (Härte HB) ein, die sie zuvor im Bunsenbrenner durchgeglüht haben. Verbinden Sie diese über Krokodilklemmen und Kabel mit einer Spannungsquelle. a) Elektrolysieren Sie 2 Minuten bei U = 6 V. Beobachten Sie die Beschaffenheit der Elektroden währenddessen genau. b) Verbinden Sie die Elektroden nun mit einem Verbraucher, z.B. einem empfindlichen Motor oder einer Leuchtdiode. Messen Sie die Zeit, während der der Verbraucher betrieben werden kann. Beobachten Sie die Elektroden erneut. c) Führen Sie einen weiteren Ladeund Entladungszyklus durch und vergleichen Sie mit dem ersten Zyklus. Auswertung a) Im Lithium-Ionen-Akkumulator intercalieren Ionen in das Elektrodenmaterial. Nennen Sie eine Beobachtung, die das bestätigt. b) Benennen Sie Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Akkus aus B1 und aus V1. Lithium-Polymer-Akkumulator Lithium-Polymer-Akkumulatoren unterscheiden sich von anderen Lithium-Ionen-Akkus hauptsächlich darin, dass sie ohne brennbare flüssige organische ElektrolytLösungen und Separatoren auskommen. Der Ladungsfluss innerhalb der Zellen wird durch leitende Polymere (Kunststoffe) ersetzt. Da das Gehäuse ebenfalls aus Kunststoff ist, kann man den Zellen jede beliebige Form geben und so kleinste Hohlräume in Elektrogeräten nutzen. Der Lithium-Luft-Akku Hinsichtlich der Energiedichte (vgl. S. 101) ist es vielversprechend, Akkus zu bauen, bei denen ein Reaktionspartner nicht im Akku mitgeführt werden muss. In Lithium-Luft-Akkus reagiert an der Kathode Luftsauerstoff, die Anode besteht aus metallischem Lithium. Die Kapazität der Lithium-Luft-Akkus wird lediglich durch die Größe der Lithium-Anode bestimmt. Die Nennspannung in diesen Akkus beträgt 2,96 V, die theoretisch erreichbare Energiedichte ca. 1000 Wh/Kg (ohne Berücksichtigung der Masse des Sauerstoffs). In diesen Akkus wird reversibel Lithiumoxid Li2O gebildet und zersetzt. Dabei wandern bei der Ent ladung Lithium-Ionen von der metallischen LithiumAnode durch einen Elektrolyten zur Kathode und verbinden sich dort mit Sauerstoff-Molekülen zu Lithiumoxid Li2O. Problematisch ist noch die Zahl der Ladezyklen, da unerwünschte Nebenreaktionen ablaufen. Es ist insgesamt zu bedenken, dass die Produkte der Reaktion mit Luft Feststoffe sind. Ein Batterieauto wird während des Betriebs immer schwerer. Das wirkt sich negativ auf die Reichweite pro Batterieladung aus. Im Gegensatz dazu werden Autos mit Verbrennungsmotoren beim Fahren immer leichter, da bei der Verbrennung von Erdgas oder Benzin gasförmige Produkte entstehen. Somit sind sie bezogen auf die Energiedichte bzw. Reichweite noch ungeschlagen (vgl. S. 101, B4). Aufgabe A1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für das Laden und Entladen im Lithium-Luft-Akku. ERW EITERUNG·VERTIEFUNG·ANW ENDUNG B3 Modellversuch zum Lithium-Ionen-Akku (dual carbon cell). Mit dem geladenen Modell-Lithium-Ionen-Akku kann ein Verbraucher betrieben werden. 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 103 Nu r z u Pr üf zw ec k n ig en um d es C .C . B uc hn er V er la g