Chemie

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Zuletzt aktualisiert: 11. Dezember 2019

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Name: Konrad Brenzel, Johannes Böse 2019-12

 Ein Akkumulator ist ein durch elektrolytische Prozesse wieder aufladbarer, chemischer Energiespeicher. 

Allgemeiner Vorgang bei einem Metall-Ionen Akkumulator

Für die Elektroden werden Metalle benutzt, die in der Lage sind, Metall-Ionen aufzunehmen und Interkalationsverbindungen einzugehen. Das Kathodenmaterial wird im chemischen Vorgang reduziert, da Metallionen abgegeben werden. Das Anodenmaterial wiederum wird wiederum durch entzogene Elektronen oxidiert. Dieser Vorgang gilt jedoch nur für die Entladung des Akkus. Der Aufladungsprozess funktioniert genau umgekehrt.

Aufladung des Akkus:

Das Kathodenmaterial wird reduziert und somit werden Metall-Ionen freigesetzt. Diese Metall-Ionen wandern von der Kathode über den Elektrolyt (wasserfreie Lösung) und den Separator (Trennung der Bestandteile) zur Anode. Dort werden die Metall-Ionen eingelagert. Das Anodenmaterial nimmt für jedes eingelagerte Metall-Ion so viele Elektronen auf, wie zum Ladungsausgleich nötig sind, zum Beispiel bei Li⁺- und Na⁺-Ionen wird jeweils ein Elektron benötigt während bei Al³⁺-Ionen drei Elektronen benötigt werden. Diese benötigten Elektronen stammen von der Anode, von der aus die Elektronen über einen Verbraucher zur Kathode geleitet werden. Durch fehlende Elektronen wird das Anodenmaterial oxidiert und dadurch werden Metall-Ionen in den Elektrolyten freigesetzt.

Entladung des Akkus:

Das Anodenmaterial wird reduziert und somit werden Metall-Ionen freigesetzt. Diese Metall-Ionen wandern von der Anode über den Elektrolyt und den Separator zur Kathode. Dort werden die Metall-Ionen eingelagert. Das Kathodenmaterial nimmt für jedes eingelagerte Metall-Ion so viele Elektronen auf, wie zum Ladungsausgleich nötig sind. Diese benötigten Elektronen stammen von der Kathode, von der aus die Elektronen über einen Verbarucher zur Anode geleitet werden. Durch fehlende Elektronen wird das Kathodenmaterial oxidiert und dadurch Metall-Ionen in den Elektrolyten freigesetzt.

Beispiel an Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator:

Anodenreaktion:

Entladung: 2Na ---> 2Na⁺+ 2e^-

Aufladung: 2Na⁺+ 2e^----> 2 Na

Kathodenreaktion:

Entladung: NiCl₂ + 2Na⁺+2e^--> 2NaCl + Ni

Aufladung: 2NaCl + Ni-> NiCl₂ + 2Na⁺

^{Gesamtreaktion im Akkumulator:}

Entladung: NiCl₂ + 2 Na ---> 2NaCl + Ni

Aufladung: 2NaCl + Ni ---> NiCl₂+2 Na 

Lithium-Ionen-Akkumulator

Zuerst kam ein Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator 1991 zum kommerziellen Einsatz in einer Sony-Videokamera. Anwendungsbereiche waren voererst nur tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf (Mobiltelefone, Tablets, Taschenlampen etc.). Heute kommen Akkumulatoren auch in Elektroautos, Hybridfahrzeugen & Flugzeugen zum Einsatz.

Aufbau Energiezelle

Eine Energiezelle hat 2 Halbzellen:

1. Halbzelle: Aluminiumschicht als Aluminiumelektrode

2. Halbzelle: Kupferschicht als Kupferelektrode

An der Aluminiumschicht ist Lithium-Metall-Oxid (z.B. LiCoO₂) angelagert, das als Kathode dient. An die Kupferschicht ist eine Graphitschicht angelagert, die als Anode dient. Die Zelle ist mit einem möglichst wasserfreien Elektrolyt gefüllt (organisches Lösungsmittel mit darin gelöstem Leitsalz (z.B. LiPF₆)). Ein Seperator aus mikroporösem Kunststoff, der für kleinste Teilchen duchlässig ist, trennt die Kathode von der Anode, um einen Kurzschluss zu vermeiden.                                                                                                                                                                               

Funktionsweise Ladevorgang

Es wird eine Spannung von Außen an die Elektroden der Zelle angelegt (z.B. Ladekabel beim Smartphone). Die Graphitschicht ist über die Kupferelektrode mit dem Minus-Pol verbunden. Die Lithium-Metall-Oxid-Schicht ist über die Aluminiumelektrode mit dem Plus-Pol verbunden.

Nun fließen Elektronen vom Minus-Pol über die Kupferlage zur Graphitschicht => negative Ladung.

Elektronen der Lithium-Metall-Oxid-Schicht fließen über die Aluminiumelektrode zum Plus-Pol (z.B. LiCoO₂ ---> Li⁺ + CoO₂ + e^-) => positive Ladung.

Um der positiven Ladung der Lithium-Metall-Oxid-Schicht entgegenzuwirken, wandern Li⁺-Ionen durch den Seperator zur Graphitschicht. Diese Li⁺-Ionen verbinden sich mit den e^- an der Kupferelektrode. Dies führt zu einem Ladungsausgleich an der Kupferelektrode. Sind alle Li⁺-Ionen an der Kupferlektrode angekommen, ist der Akku voll geladen.

Funktionsweise Entladevorgang

Es wird ein "Verbraucher" angeschlossen. Das Lithium an der Graphitschicht gibt Elektronen ab, da es sehr unedel ist (Li ---> Li⁺+ e^-).
Diese Elektronen wandern über ein Kabel und den "Verbraucher" zur Metall-Oxid-Schicht und reagieren zuerst mit dem edleren Metall (z.B. CoO₂ + e^- ---> CoO₂^-), während unedlere Li⁺-Ionen durch den Seperatoren zur Metall-Oxid-Schicht wandern und mit  entstandenen CoO₂^--Ionen reagieren (CoO₂^- + Li⁺ ---> LiCoO₂).

Fakten & Tipps

• Ein Lithium-Ionen-Akkumulator hält circa 500-800 Ladezyklen, bis die ursprüngliche Leistung auf weniger als 90% gesunken ist.
• Lagertemperaturen von ungefähr 15°C sind ideal.