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Übungen: Akkumulatoren

Lithium, Blei und Nickel — zehn Übungen dazu, wie Akkus Energie speichern und wieder abgeben.

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Übungsaufgaben

Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.

A1
Im Lithium-Ionen-Akku
AFB I

Ordnen Sie die Merkmale eines Lithium-Ionen-Akkus (Graphit | LiCoO₂) dem Minus- oder dem Pluspol zu.

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Minuspol (Graphit)
2Pluspol (LiCoO₂)
Am Minuspol lagert sich Lithium beim Laden in den Graphit ein (LiₓC₆). Am Pluspol wechselt Cobalt zwischen +IV und +III. Kupfer würde am Pluspol oxidiert, deshalb dort Aluminium.
Ansatz: Beim Entladen wird am Minuspol oxidiert.
Weiter: Cobalt ist das Metall, dessen Oxidationszahl sich ändert.
A2
Aussagen zu Akkus
AFB I

Entscheiden Sie, ob die Aussage zutrifft.

Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Ein Akku ist nur dann gut wiederaufladbar, wenn die Produkte an den Elektroden haften und Nebenreaktionen gehemmt sind.
Ansatz: Laden = Umkehr der freiwilligen Reaktion.
Weiter: Lithium und Wasser vertragen sich nicht.
A3
Laden als Elektrolyse
AFB I

Beschreiben Sie mit den Fachbegriffen, was beim Laden eines Akkus geschieht.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Beim Laden läuft eine ab: Die zugeführte Energie wird als Energie gespeichert. Die Elektrode, die beim Entladen Anode war, wird dabei zur , bleibt aber der .

„galvanische“ passt nicht: Freiwillig läuft nur das Entladen ab.
Ansatz: Welche Energieform liefert das Ladegerät?
Weiter: Die Vorzeichen der Pole ändern sich nicht.
A4
Pluspol des Li-Ionen-Akkus
AFB II

Formulieren Sie die Reaktion am Pluspol beim Entladen, wenn sich im geladenen Zustand \(\ce{Li_{1-x}CoO2}\) an der Elektrode befindet.

Setze den Bauplan von links nach rechts zusammen. Ein Klick legt den Baustein auf den nächsten freien Platz, ein Klick im Bauplan legt ihn zurück. Enter funktioniert genauso.
Beim Entladen nehmen Metalloxid-Schichten Lithium-Ionen und Elektronen wieder auf; Cobalt wird dabei reduziert. H⁺ gibt es im wasserfreien Elektrolyten nicht.
Ansatz: Elektronen stehen bei der Reduktion links.
Weiter: Lithium wandert als Li⁺ durch den Elektrolyten.
A5
Handy-Akku
AFB II

Ein Smartphone-Akku hat die Aufschrift 3,85 V, 4000 mAh (\(F = 96\,485\,\text{C/mol}\)). Berechnen Sie schrittweise.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. Ladung \(Q\) = C
  2. \(n(\ce{Li+})\), das je Entladung wandert = mmol
  3. gespeicherte Energie \(W\) = Wh
\(Q = 4{,}000\,\text{A} \cdot 3600\,\text{s} = 14\,400\,\text{C}\); \(n = Q/F = 0{,}149\,\text{mol}\) (ein Li⁺ je Elektron); \(W = 3{,}85\,\text{V} \cdot 4{,}0\,\text{Ah} = 15{,}4\,\text{Wh}\). Typischer Fehler: mAh direkt als C einsetzen.
Ansatz: 1 Ah = 3600 C.
Weiter: z = 1: Pro Elektron wandert ein Li⁺.
A6
Akkutypen vergleichen
AFB II

Bestimmen Sie Elektrolyt (wässrig oder organisch) und Zellspannung. Pro Zeile zwei Kreuze.

Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.
Akkuwässr.organ.<2,5 V>3 V
Blei
NiCd
LiCoO₂
LiFePO₄
Wässrige Elektrolyte begrenzen die Zellspannung: Oberhalb von etwa 2 V würde Wasser zersetzt, wenn keine hohe Überspannung hilft. Lithiumzellen erreichen über 3 V nur mit wasserfreiem Elektrolyten.
Ansatz: Lithium braucht wasserfreie Elektrolyte.
Weiter: Bleiakku ≈ 2,0 V, NiCd ≈ 1,2 V.
A7
Mix: Warum gast der Bleiakku nicht?
AFB II

Beim Laden müsste am Minuspol eigentlich eher Wasserstoff entstehen als Blei, denn \(E^\circ(\ce{PbSO4/Pb}) = -0{,}36\,\text{V}\). Erklären Sie mit Ihrem Wissen über Zersetzungsspannung (4.3.3), welche Aussagen zutreffen.

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Ohne die hohe Wasserstoff-Überspannung an Blei gäbe es keinen Bleiakku: 2 V liegen deutlich über 1,23 V. Blei ist unedler als Wasserstoff — die Reihenfolge an der Kathode bestimmt hier die Kinetik.
Ansatz: Vergleiche E° von PbSO₄/Pb mit 0 V.
Weiter: Überspannung verschiebt die Abscheidungsreihenfolge.
A8
Fehler im Laborprotokoll
AFB III

Überprüfen Sie das Protokoll zum Laden eines Lithium-Ionen-Akkus und markieren Sie die falschen Zeilen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Beim Laden kehrt sich alles um: Li⁺ und Elektronen gehen zum Graphit, der damit Kathode wird.
Ansatz: Wo wird beim Laden reduziert?
Weiter: Drei Zeilen sind falsch.
A9
Blei statt Lithium?
AFB III

Eine Starterbatterie (12 V, 60 Ah) wiegt 15 kg. Ein E-Auto speichert 60 kWh. Ermitteln Sie die Masse, die ein gleich großer Speicher aus Bleiakkus hätte.

Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
\(W = 12\,\text{V} \cdot 60\,\text{Ah} = 720\,\text{Wh}\) → \(48\,\text{Wh/kg}\). \(60\,000\,\text{Wh} : 48\,\text{Wh/kg} = 1250\,\text{kg}\) — etwa dreimal so viel wie ein Lithium-Ionen-Pack. Typischer Fehler: kWh und Wh verwechseln.
Ansatz: Erst die Energie einer Starterbatterie in Wh.
Weiter: Dann Wh pro kg und hochrechnen.
A10
Trickaufgabe: „Leerer“ Akku
AFB III

Beurteilen Sie die Aussagen über einen vollständig entladenen Lithium-Ionen-Akku.

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Im Akku wird nichts verbraucht, sondern nur umverteilt: Li⁺ pendelt zwischen den Polen. Die Masse bleibt gleich — Energie hat (praktisch) keine messbare Masse.
Ansatz: Wohin wandert Li⁺ beim Entladen?
Weiter: Stoffe verlassen den geschlossenen Akku nicht.