Wiederholung: Wiederholung wichtiger Grundbegriffe

Batterie

Wandelt chemische in elektrische Energie um. Sie kann nicht wieder aufgeladen werden. Man bezeichnet sie als Primärelement (im Englischen primary, single-use battery). Beispiele sind die Alkali-Mangan- oder die Zink-Luft-Batterie.

Akkumulator (kurz Akku)

Gibt elektrische Energie auf Basis chemischer Vorgänge ab (Entladen). Diese lassen sich durch Zufuhr von elektrischer Energie umkehren (Laden). Man nennt den Akku auch Sekundärelement (im Englischen secondary, rechargeable battery). Beispiele sind der Blei-Akku und der Nickel-Metallhydrid-Akku.

Elektrischer Strom

Gezielte Verschiebung von Ladungsträgern (Ionen, Elektronen).

Physikalische Stromrichtung

Die Elektronen bewegen sich um negativen Minuspol zum positiven Pluspol.

Elektrolyt

Chemische Verbindung mit Ionen, die elektrischen Strom leitet (z.B. eine Salzlösung).

Anode

Elektrode, an der Oxidationsreaktionen ablaufen (es werden Elektronen abgegeben).

Kathode

Elektrode, an der Reduktionsreaktionen ablaufen (es werden Elektronen aufgenommen).

Basis 1: Aufbau - Teil 1

Der Lithium-Ionen-Akku ähnelt im Grundaufbau anderen Akkus. Er besitzt einen Plus- und Minuspol.

Am Minuspol werden Elektronen abgegeben. Diese fließen über ein Kabel zur anderen Elektrode. Es gibt also einen Stromfluss. Daher muss es sich um den Entladevorgang handeln.

Der Stromfluss beruht auf chemischen Vorgängen.

Am Minuspol werden im Innern Lithium-Ionen abgegeben. Diese wandern vom Minuspol zum Pluspol.

Wenn die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten wandern, müssen sie den Separator passieren. Der Separator ist üblicherweise eine poröse Wand, die zum einen die Elektroden voneinander trennt und so eine Kurzschluss verhindert; zum anderen ist sie für Lithium-Ionen durchlässig und erlaubt so den Ladungsausgleich.

Basis 2: Aufbau - Teil 2

Im Lithium-Ionen-Akku findet sowohl am Plus- als auch am Minuspol eine Interkalation von Lithium-Ionen statt. Der Begriff Interkalation geht auf das lateinische Verb intercalare zurück, das heißt einschieben. Daher nennt man das Produkt auch Einschiebeverbindung.

Kleine Moleküle, wie Ionen oder Atome, sind der Gast. Der Wirt sind große, schichtartig aufgebaute Moleküle wie Cobaltoxid (Pluspol) oder Graphit (Minuspol). Der Gast setzt sich in die Lücken des Wirtes. Der Vorgang ist reversibel, also rückgängig. Die Gast-Moleküle können den Wirt wieder verlassen.

Basis 3: Aufbau - Teil 3

Ein Lithium-Ionen-Akku kann elektrische Energie speichern und dann abgeben, wenn sie wieder benötigt wird. Diese Art von Akkus finden sich zum Beispiel in Laptops oder Handys.

Das Speichern der Energie beruht auf chemischen Vorgängen. Neu wird für dich sein, dass die Elektrodenmaterialien Lithium-Ionen einlagern können. Man nennt dies Einlagerungsverbindung (Interkalation).

Fangen wir mit dem Entladen an, also dem Vorgang der passiert, wenn du dein Handy benutzt. Der Minuspol besteht aus Graphit (C). Dort sind Lithium-Ionen (Li⁺) eingelagert. In der Reaktionsgleichung findest du LiC₆*. Die Lithium-Ionen werden abgegeben und wandern durch den Elektrolyten zum Pluspol. Das ist wichtig für den Ladungsausgleich. Denn zeitgleich werden ebenfalls Elektronen (e^-) abgegeben. Die Elektronen bewegen sich vom Minuspol zum Pluspol - jetzt fließt also elektrischer Strom.

Der Pluspol besteht aus lithiumarmen Lithiumcobaltdioxid (Li_0.5CoO₂). Dieses Elektrodenmaterial kann, obwohl schon Lithium-Ionen da sind, noch weitere aufnehmen. Es bildet sich Lithiumcobaltdioxid (LiCoO₂*). Für die Aufnahme werden Elektronen benötigt (die ursprünglich vom Minuspol stammen).

Reaktionsgleichungen für das Entladen des Akkus

Minuspol
LiC₆*   ->   6 C   +   Li⁺   +   e^-

Pluspol
2 Li_0.5CoO₂   +   Li⁺   +   e^-   ->   2 LiCoO₂*

Schematische Darstellung des Entladens

Nach einer bestimmten Zeit, wenn am Minuspol alle Lithium-Ionen abgegeben sind bzw. wenn am Pluspol keine mehr aufgenommen werden können, fließt kein elektrischer Strom mehr. Der Akku muss nun aufgeladen werden. Zum Laden verbindest du dein Laptop oder Handy über das Ladegerät mit der Steckdose. Nun finden die umgekehrten Vorgänge statt.

Am Pluspol werden vom Lithiumcobaltdioxid Lithium-Ionen abgegeben. Diese wandern durch den Elektrolyten zum Minuspol und lagern sich in das Graphit ein. Es bildet sich wieder die Graphiteinlagerungsverbindung LiC₆*. Der Akku kann nun erneut elektrischen Strom liefern.

Reaktionsgleichungen für das Laden des Akkus

Pluspol
2 LiCoO₂*   ->   2 Li_0.5CoO₂   +   Li⁺   +   e^-

Minuspol
6 C   +   Li⁺   +   e^-   ->   LiC₆*

Schematische Darstellung des Ladens

Ergänzung 1: Der Chemie auf der Spur

Eine besondere Gefahr geht von (leicht)entzündbaren Lösemitteln aus, falls der beschädigt oder stark erhitzt wird.

Ergänzung 2: Vorteile

Über Lithium-Ionen-Akkus:

• Sie sind leicht. Sie eignen sich daher für Mobiltelefone (Handys), Laptops und Tablets.

• Sie haben eine hohe Energiedichte. Das ist die Menge an gespeicherter Energie pro Volumen [des Akkus].

• Sie haben eine niedrige Selbstentladung. Das heißt, sie behalten die gespeicherte Ladung[smenge].

• Sie haben keinen Memory-Effekt. Vor dem Aufladen ist es nicht erforderlich, den Akku komplett zu leeren.

Ergänzung 3: Einsatz im Alltag

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte werden Li-Ionen-Akkus vor allem für mobile Geräte eingesetzt. Dazu gehören zum Beispiel Laptops/Notebooks, Mobiltelefone/Handys, Tablets, Werkzeuggeräte und Elektrofahrräder.

Ergänzung 3: Richtige Handhabung

Durch das Fallenlassen oder sonstige mechanische Beanspruchung kann das Gehäuse beschädigt werden. Gesundheitsschädliche oder leichtentzündliche Bestandteile können austreten.

Aufgrund der Lösemittel dürfen Akkus nicht stark erhitzt werden. Durch die zugeführte Wärme verdampft das Lösemittel und es besteht Explosionsgefahr. Lithiumcobaltoxid enthält Sauerstoff, der bei großer Hitze frei wird und den Brand fördert.

Aus diesen Gründen darf der Akku nicht nass werden. Das kann zu einem Kurzschluss führen, durch den sich der Akku stark erhitzt.

Ergänzung 4: Wir rechnen - Teil 1: Aufgabe zum Ladevorgang

Für die molare Masse M (g/mol), die Stoffmenge n (mol) und die Masse m (g) gilt folgende Beziehung:

M = m / n

m = n * M

Es werden 72 g (6 mol) Kohlenstoff benötigt, um 7 g (1 mol) Lithium-Ionen aufzunehmen.

Ergänzung 4: Wir rechnen - Teil 2: Aufgabe zum Entladevorgang

Es werden 188 g (2 mol) Cobaltoxid (Li_0.5CoO₂) benötigt, um 7 g (1 mol) Lithium-Ionen aufzunehmen.

Quiz: Kreuzworträtsel

AKKU Kurzform von Akkumulator
ION Geladenens Atom oder Molekül
ELEKTRON Negativ geladenes Elementarteilchen
INTERKALATION Einlagerung von Ionen in große Moleküle
ELEKTROLYT Darin wandern die Ionen zwischen den Polen
CHEMIE Naturwissenschaft vom Aufbau und Eigenschaften der Stoffe
ALKALIMETALLE Erste Hauptgruppe im Periodensystem
LITHIUM Ein Alkalimetall
STROM Gerichtete Bewegung von Elektronen oder Ionen
GRAPHIT Findet sich im Bleistift und im Akku
SEPARATOR Poröse Trennwand zwischen den Polen
LADEN Dafür braucht der Akku Strom

Quiz: Arbeitsblatt

(1) Akku

(2) chemischen

(3) mobile

(4) Plus- und Minuspol

(5) Lithiumcobaltdioxid

(6) Graphit

(7) Interkalation

(8) Lithium-Ionen

(9) reversibel

(10) abgegeben

(11) Elektronen

(12) Aufnahme

(13) umgekehrten

(14) Pluspol

(15) Graphit

Zusatz 1: Lithium-Ionen-Batterie - Ein Kraftpaket mit Zukunft.

Welche Gefahren gehen bei der Verwendung von Lithium in Lithium-Ionen-Akkumulatoren aus?

Wenn der Akku überladen oder beschädigt wird, kann im schlimmsten Fall eine exotherme Kettenreaktion einsetzen. Aufgrund der freiwerdende Wärme verdampft das organische Lösemittel des Elektrolyten. Dieser reagiert daraufhin mit dem Graphit der Anode und dem Metalloxid der Kathode. Dabei wird Sauerstoff frei, der die Verbrennung sowohl des Elektrolyten als auch des Lithiums fördert. Solche Brände sind daher schwierig zu löschen.

Welche Maßnahmen werden getroffen, um diese Gefahren zu vermeiden?

Es werden Ventile eingebaut, die für einen gezielten Druckabfall sorgen, falls das Lösemittel verdampft oder aufgrund eines beginnenden Brandes andere gasförmige Reaktionsprodukte entstehen.

Außerdem werden PTC-Widerstände(Kaltleiter) eingesetzt, die bei hohen Temperaturen den Strom schlechter leiten, weil sich der elektrische Widerstand erhöht.Es wird also der Stromfluss unterbrochen.

Weiterhin stehen Polyethylen haltige Shotdown-Separatoren zur Verfügung. Einerseits muss ein Separator die Elektroden voneinander isolieren, andererseits durchlässig für Ionen sein. Im Falle eines Brandes schmilzt der Kunststoff und unterbindet auf diese Weise den Ionenfluss.

Zusatz 2: Lithium-Ion Batteries: A Clean Source of Energy?

Vorschlag für ein Mindmap

Gewinnung von Lithium

Salzlösungen, welche Lithium enthalten, werden eingedampft. Das Wasser verdampft, zurück bleiben Lithium-Salze wie Lithiumchlorid und Lithiumcarbonat.

Reines Lithium wird durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Bei dem Prozess werden Lithium-Ionen zu metallischem Lithium reduziert.

Im Text wird nicht erwähnt, dass bei der Schmelzflusselektrolyse ein eutektisches Gemisch aus Lithiumchlorid und Kaliumchlorid eingesetzt wird. Als Nebenprodukt entsteht Chlor.