Akku statt Batterie
AFB I–IINickel-Metallhydrid-Akkus (Ni-MH) ersetzen in vielen Geräten Einwegbatterien. Am Minuspol ist Wasserstoff in einer Metalllegierung M gespeichert (Metallhydrid MH), am Pluspol befindet sich Nickel(III)-oxidhydroxid; Elektrolyt ist Kalilauge. Beim Entladen laufen ab: Minuspol \(\ce{MH + OH- -> M + H2O + e-}\), Pluspol \(\ce{NiO(OH) + H2O + e- -> Ni(OH)2 + OH-}\). M1 enthält Daten.
| Eigenschaft | Ni-MH-Akku (AA) | Alkali-Mangan-Batterie (AA) |
|---|---|---|
| Nennspannung | 1,2 V | 1,5 V |
| Ladung (Kapazität) | 2,0 Ah | etwa 2,0 Ah |
| Ladezyklen | etwa 500 | — |
| Preis | etwa 3 € | etwa 0,50 € |
- Formulieren Sie die Gesamtgleichung für das Entladen und für das Laden.
- Ordnen Sie die Begriffe Anode und Kathode beim Entladen und beim Laden den beiden Polen zu.
- Vergleichen Sie die Energie, die ein Ni-MH-Akku über seine Lebensdauer liefert, mit der einer Alkali-Mangan-Batterie (Energie = Spannung · Ladung).
- Bewerten Sie den Einsatz von Akkus statt Batterien aus ökologischer und ökonomischer Sicht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Entladen: \(\ce{MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH)2}\); Laden: \(\ce{M + Ni(OH)2 -> MH + NiO(OH)}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Entladen: Minuspol = Anode (MH wird oxidiert), Pluspol = Kathode (Ni +III → +II). Laden: Minuspol = Kathode (M wird wieder zu MH reduziert), Pluspol = Anode (Ni +II → +III). Die Pole bleiben gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ni-MH: \(1{,}2\,\mathrm{V}\cdot 2{,}0\,\mathrm{Ah} = 2{,}4\,\mathrm{Wh}\) je Ladung, über 500 Zyklen etwa 1200 Wh. Alkali-Mangan: \(1{,}5\,\mathrm{V}\cdot 2{,}0\,\mathrm{Ah} = 3{,}0\,\mathrm{Wh}\), einmalig. Ein Akku ersetzt rechnerisch rund 400 Batterien; pro Einsatz liefert er aber etwas weniger Energie und eine niedrigere Spannung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ökologisch: ein Akku statt Hunderter Batterien spart Rohstoffe (Zink, Mangan, Stahl) und Abfall; Nachteil: Nickel und Seltenerdmetalle in der Legierung, Energie für das Laden, Recycling notwendig. Ökonomisch: 3 € plus Ladestrom gegenüber rund 200 € für 400 Batterien. Einschränkungen: Selbstentladung, niedrigere Spannung — für Geräte mit sehr kleinem Verbrauch (Uhr, Rauchmelder) sind Batterien sinnvoller. Urteil: Für häufig benutzte Geräte sind Akkus klar vorzuziehen.
Lithium-Ionen-Akkus im Elektroauto
AFB II–IIIElektroautos nutzen Lithium-Ionen-Akkus. Beim Entladen gibt am Minuspol in Graphit eingelagertes Lithium Elektronen ab: \(\ce{LiC6 -> C6 + Li+ + e-}\). Die Lithium-Ionen wandern durch einen wasserfreien, brennbaren organischen Elektrolyten zum Pluspol, wo sie in ein Metalloxid eingelagert werden: \(\ce{CoO2 + Li+ + e- -> LiCoO2}\). M2 vergleicht Akkutypen.
| Akkutyp | Zellspannung | Energiedichte (Zelle) | Besonderheiten |
|---|---|---|---|
| Bleiakku | 2,0 V | etwa 35 Wh/kg | Blei giftig, fast vollständig recycelt |
| Ni-MH | 1,2 V | etwa 80 Wh/kg | Nickel, Seltenerdmetalle |
| Lithium-Ionen | 3,6 V | etwa 180 Wh/kg | Cobalt, Lithium; brennbarer Elektrolyt |
- Erläutern Sie die Vorgänge beim Entladen und beim Laden eines Lithium-Ionen-Akkus.
- Bestimmen Sie die Oxidationszahl von Cobalt in \(\ce{CoO2}\) und \(\ce{LiCoO2}\) und begründen Sie, warum Lithium in \(\ce{LiC6}\) als Donator wirkt.
- Berechnen Sie die Masse der Zellen, die für einen Energiespeicher von 60 kWh mit Bleiakkus bzw. mit Lithium-Ionen-Akkus nötig wäre.
- Diskutieren Sie Chancen und Probleme von Lithium-Ionen-Akkus für die Elektromobilität.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Entladen (galvanisch): Am Minuspol (Anode) werden Lithium-Atome aus dem Graphit oxidiert; die Elektronen fließen über den Motor zum Pluspol (Kathode), wo Co(+IV) zu Co(+III) reduziert und die ankommenden \(\ce{Li+}\)-Ionen eingelagert werden. Im Elektrolyten wandern \(\ce{Li+}\) vom Minus- zum Pluspol.
Laden (Elektrolyse): Das Ladegerät kehrt alles um; \(\ce{Li+}\) wandern zurück in den Graphit (Minuspol jetzt Kathode), am Pluspol wird Co(+III) zu Co(+IV) oxidiert (Anode).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{CoO2}\): Co +IV; \(\ce{LiCoO2}\): Li +I, Co +III. Lithium hat das kleinste Standardpotenzial aller Elemente und gibt sein Valenzelektron sehr leicht ab; deshalb ergibt sich zusammen mit dem Metalloxid eine hohe Zellspannung von 3,6 V.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Blei: \(60\,000\,\mathrm{Wh}/35\,\mathrm{Wh\,kg^{-1}} \approx 1700\,\mathrm{kg}\); Lithium-Ionen: \(60\,000/180 \approx 330\,\mathrm{kg}\) (ohne Gehäuse, Kühlung). Der Bleiakku wäre rund fünfmal so schwer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Chancen: hohe Energiedichte und Spannung → große Reichweite bei vertretbarer Masse; kein lokaler Schadstoffausstoß; hoher Wirkungsgrad beim Laden/Entladen; mit Strom aus erneuerbaren Quellen geringe \(\ce{CO2}\)-Bilanz im Betrieb.
Probleme: Rohstoffe (Lithium, Cobalt) mit ökologisch und sozial problematischem Abbau; brennbarer Elektrolyt → Brandgefahr bei Beschädigung oder Überladung; Recycling technisch aufwendig; Herstellung energieintensiv. Abwägung: Für Pkw derzeit die geeignetste Speichertechnik, wenn Recycling und Rohstoffgewinnung verbessert und cobaltärmere Kathoden eingesetzt werden.