Lithium-Ionen-Akkus sind heute eine beliebte Energiequelle für Laptops, Handys, Smartphones und viele andere mobile Geräte. Dieser Lernpfad zeigt Schülerinnen und Schülern, wie Lithium-Ionen-Akkus aufgebaut sind, welche Eigenschaften sie haben, wofür sie eingesetzt werden und wie man richtig mit Ihnen umgeht.

Das Material ist umfangreich. Um nicht den Überblick zu verlieren, sind die Ergänzungen und Zusatzmaterialien mit einem Sternchen gekennzeichnet (das heißt, die drei wichtigen Basis-Seiten zum Aufbau und chemischen Hintergrund sind ohne Sternchen).

Inhaltsverzeichnis
Der Lernpfad umfasst folgende Seiten:

• Wiederholung (wichtiger Grundbegriffe)    
• Start (Einführung)
• Basis 1: Aufbau
• Basis 2: Interkalation
• Basis 3: Reaktionsgleichungen
• Ergänzung 1*: Der Chemie auf der Spur
• Ergänzung 2*: Vorteile (englisch)
• Ergänzung 3*: Einsatz im Alltag; Richtige Handhabung
• Ergänzung 4*: Wir rechnen (Aufgaben zum Lade- und Entladevorgang)
• Quiz: Kreuzworträtsel und Arbeitsblatt
• Zusatz 1*: Zeitschriftenartikel
• Zusatz 2*: Zeitschriftenartikel
• Lehrerinfo: (diese Seite)
• Lösungen

Hinweise

Dieser Lernpfad behandelt das Thema Lithium-Ionen-Akku. Er richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II, die sich im Rahmen des Faches Chemie weitgehend selbstständig einarbeiten möchten. Selbstverständlich steht er auch sonst allen offen, die sich für das Thema interessieren.

Für den Basis-Teil werden etwa zwei bis drei Stunden benötigt. Kommen weitere Zusatz- und Erweiterungsmaterialien hinzu, dürfte die Gesamtdauer bis zu sechs Stunden betragen.

Um den Lernpfad zu bearbeiten, benötigt man einen PC/Laptop mit Internetzugang und einem Browser. Ein bestimmtes Betriebssystem ist nicht erforderlich.

Falls aufgrund des Lernstands erforderlich, können zu Beginn Grundbegriffe wie Akku und Batterie wiederholt werden. Die Schülerinnen und Schüler beginnen mit der Seit Start, die eine kurze Einführung gibt. Sie schlüpfen in die Rolle eines Forschungsleiters/-leiterin. Aufgabe ist es, einen neuen Akku-Typ für mobile Geräte zu entwickeln. Auf den folgenden drei Basis-Seiten werden grundlegende Kenntnisse zum Aufbau erworben. Die Zusatz- und Erweiterungsmaterialien vertiefen und ergänzen das Gelernte. Eine Lernkontrolle kann am besten mit dem Arbeitsblatt (Lückentext) erfolgen, das online bearbeitet wird.

Besonderen Wert wurde bei der Erstellung des Lernpfads auf den Alltagsbezug gelegt. Viele Schülerinnen und Schüler nutzen Laptops, Handys und Tablets, die Lithium-Ionen-Akkus als Energiequelle verwenden. Neben dem Einsatz in der Alltagswelt wird zudem die richtige Handhabung behandelt. Ein kurzer englischsprachiger Text ermöglicht einen "Blick über den Zaun" und zeigt, dass Akkus nicht nur in Deutschland eingesetzt werden und daher auch in anderen Ländern Gegenstand des Unterrichts sind.

Der Lernpfad richtet sich gleichermaßen an Schülerinnen wie Schüler. Zum einen wurde auf sprachlicher Ebene darauf geachtet, geschlechterspezifische Formulierungen (wie zum Beispiel Schülerinnen wie Schüler) zu verwenden, wenn beide Gruppen angesprochen werden sollen. Zum anderen wurde auf inhaltlicher Ebene ein Ansatz gewählt, sich nicht aus rein technischer Sicht dem Thema zu nähern, sondern in die lebensnahe Rolle eines Forschungsleiters / einer Forschungsleiterin zu schlüpfen.

Didaktische Reduktion

Um das Thema Lithium-Ionen-Akku für Schülerinnen und Schüler zugänglich zu machen, war eine umfangreiche didaktische Reduktion erforderlich.

Der Aufbau wird reduziert auf zwei Elektroden, den Elektrolyt und einen Separator. Vernachlässigt wird die Kombination zu Zellen sowie deren Schaltung einschließlich der Schutzmechanismen. Aus der Vielzahl der aktuell eingesetzten Substanzen für die Komponenten wird sich auf die gängigen Elektrodenmaterialien Graphit und Lithiumcobaltoxid beschränkt. Deren Struktur wird schematisch auf parallel ausgerichtete Schichten reduziert, in denen sich bei der Interkalation kugelförmige Lithium-Ionen einlagern können.

Fachlich richtig wiedergegeben sind die Reaktionsgleichungen. Eine besondere Schwierigkeit dürfte sein, dass Lithiumcobaltdioxid nur maximal 50 % des Lithiums abgeben kann. Daher entsteht nur lithiumarmes Lithiumcobaltdioxid, nicht Cobaltoxid. Falls dies für die Lerngruppe zu schwierig sein sollte, kann vereinfacht angenommen werden, dass Lithiumcobaltdioxid alle Lithium-Ionen abgibt. Für den Fall, dass Teile des Lernpfads in der Sekundarstufe I behandelt werden, können die Reaktionsgleichungen auch zu Wortgleichungen reduziert werden.
 

Literatur

R. Korthauer: Handbuch Lithium­-Ionen­.Batterien. Springer (Berlin 2013).
Aktuelle, empfehlenswerte und verständliche Einführung für alle, die sich intensiver mit dem Thema beschäftigen möchten.

Uta Bilow: Lithium-Ionen-Batterie - Ein Kraftpaket mit Zukunft. F.A.Z., 05.12.2007, Nr. 283 / Seite N1.
URL: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/lithium-ionen-batterie-ein-kraftpaket-mit-zukunft-1492884.html

B. Sitzman, R. Goode: Lithium-Ion Batteries: A Clean Source of Energy?. Chemmatters 5 (2011).
Download: http://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/lithiumionbatteries/open-for-discussion-lithium-ion-batteries.pdf.

Weitere empfehlenswerte Literatur

B. Ketterer, U. Karl, D. Möst, S. Ulrich: Lithium-Ionen Batterien - Stand der Technik und Anwendungspotenzial in Hybrid-, Plug-In Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Forschungszentrum Karlsruhe 2009. Download: http://bibliothek.fzk.de/zb/berichte/FZKA7503.pdf.
Gute Übersicht über Grundlagen und praktische Anwendungen

W. Dierks, H. Vennemann: Lithium-Batterien. CHEMKON 12/1 (2005) 7-14.
M. Oetken et al.: Lithiumionenakkus für den Chemieunterricht. Nachrichten aus der Chemie 61 (2013) 876-881.
Die Publikationen von Vennemann und Oetken richten sich an Chemielehrer/-innen und zeichnen sich durch zahlreiche neue Versuchsbeschreibungen aus.

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E-Mail an Dr. Stefan Horn: bs@fam-horn.de