F elektrochemie

Ziele dieser Vorlesung
Nach diesem Abschnitt sollten Sie ...
 Die Grundbgriffe der Elektrochemie kennen.
 Die Prozesse in Elektrolysezellen beschreiben
können.
Prof. Elektrochemie Dr. Remo Ianniello 2 von 59
E

Das Mol
LLeerrnnzziieell:: ddiiee GGrruunnddbbeeggrriiffffee ddeerr EElleekkttrroocchheemmiiee bbeehheerrrrsscchheenn..
2 = 1 Paar
12 = 1 Duzend
10100 = 1 Gogol
6,02214179(30)·1023 = 1 mol
E
Ein Mol von Atomen eines Stoffes
wiegen so viel Gramm, wie es im
Periodensystem vermerkt ist.

Das Mol
Aufgabe Elektronen-Mol
a) Wie viel Gramm wiegen 1 mol Aluminium-Atome ?
b) Berechnen Sie die Ladung von 0,6 mol Elektronen in C und Faraday.
c) Wie viele Elektronen sind nötig, um die Ladung von 1.000 C aufzubauen ?
d) Wie viele Elektronen strömen in drei Sekunden durch einen Drahtquerschnitt, bei
E
einem Strom von 1 A ?

Elektrolyse-Zellen
Die Metallplatten heißen Elektroden.
Wird an die Elektroden eine
Gleichspannung gelegt, dann fließt nur
ein sehr kleiner Strom, denn destilliertes
Wasser ist ein sehr schlechter
elektrischer Leiter.
Bringt man aber in das Wasser etwas
Salz, Säure oder Lauge ein und löst
dieses gleichmäßig im Wasser auf, dann
fließt ein wesentlich größerer Strom.
Video: Leitfähigkeit von Wasser
Wässrige Lösungen von Säuren, Basen und
Salzen leiten den elektrischen Strom.
E

Dissoziazion
Elektrisch leitende Flüssigkeiten heißen Elektrolyte.
Beispiel: Kochsalz (NaCl) teilt sich in Na+ und Cl- -Ionen auf: Dissoziation.
Aufgabe Dissoziation
Welche andere Verbindungen gibt es, die durch Dissoziation eine volle Valenzschale
erhalten könnten? Nennen Sie die Verbindung und die Produkte der Dissoziation.
E

Der Elektrolyt
Elektronen können nicht alleine durch
Elektrolyten schwimmen.
Sie benötigen Ionen als “Fähren”
Ionen sind die einzig möglichen
Ladungsträger in einem Elektrolyten.
E
Ladungsträger im Elekrolyten sind
Anionen und Kationen.
“An”-”Ion”
wandert zur Anode
“Kat”-”Ion”
wandert zur Katode
Elektron
Atom
Anion

Elektrochemische Zellen
Strom → chem. Reaktion
E
Elektrolyse-Zellen
chem. Reaktion → Strom
Galvanische Zellen
Anwendung: Raffination von Al, Cu Anwendung: Batterien, Akkus

Die Elektrolyse-Zelle
Aufgabe 6-3
Kennzeichnen Sie in der Skizze
den Elektronenstrom
Kation und Anion
K A
Katode und Anode
Katode
Anode
den Elektrolyten
Elektrochemie E
Prof. Dr. Remo Ianniello 9 von 59

Reaktionen an den Elektroden
LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn..
Die chemischen Prozesse an den Elektroden
verändern deren Oberfläche, z.B. durch:
a) Gasentwicklungen bei der Wasserstoff-Gewinnung
b) Materialzuwachs oder ‑abbau beim
“Galvanisieren”;
vor: e- + Me+→ nach: Me
Elektrochemie E
vor: X- → nach: X + e-
Anode → Oxidation Katode → Reduktion

Fragen
1) Ist mol eine Zahl, ein Gewicht oder eine Atommasse? Eine Zahl
2) Wie ist der Zusammenhang zwischen der Stromstärke
und der Ladung die dabei transportiert wird?
3) Strom ist pro Zeit transportierte Ladung.
4) Wie heißen die metallischen Bauteile in der flüssigen
Komponente einer Elektrolyse-Zelle? Elektroden
5) Welches sind die Ladungsträger in Metallen, welches
im Elektrolyten? Elektronen bzw. Ionen
6) Warum leitet destilliertes Wasser den Strom kaum?
Weil kaum Ionen (als Ladungsträger) vorhanden sind.
7) Nennen Sie Beispiele für Anionen. OH-, SO2-, Cl-, ...
4
8) Wie viel mol Elektronen bräuchten 1,5 mol Fe3+-Ionen,
um el. neutralisiert zu werden ? 4,5 mol Elektronen.
9) Welche beiden grundlegenden Arten von el.chem.
Zellen gibt es? Elektrolyse-Zellen und Galvanische Zellen.
Elektrochemie E

Fragen
Nennen Sie ein anderes Wort für “Aufspaltung”, “Trennung”.
Dissoziazion
9) Welche Stoffe dissoziieren in wässriger Lösung?
Säuren, Basen und Salze.
10)In welchem Leiterstoff wird Strom in Form
von geladener Materie transportiert?
Im Elektrolyten
11)Was passiert chemisch an der Anode?
eine Oxidation
12)Was passiert, wenn ein Cu2+-Ion an der Katode ankommt?
Es setzt sich als Cu-Atom auf der Elektroden-Oberfläche ab.
13)In welchem Namen eines Ladungsträgers steckt
das griechische Wort für “wandern”?
Ion, Anion, Kation
Elektrochemie E

E
 Elektrochemische Prozesse
berechnen können.
 Halbzellen-Reaktionen beschreiben
können.
 elektrochemische Spannungsreihe
anwenden können.

Faradays Gesetze
LLeerrnnzziieell:: PPrroozzeessssee iinn EElleekkttrroollyysseezzeelllleenn aannaallyyssiieerreenn kköönnnneenn..
Michael Faraday (1791 - 1867)
 war Gründer der Elektrochemie
 prägte Fachausdrücke wie Elektrolyse, Elektroden,
Anode und Kathode, Anion und Kation.
 beschrieb die Proportionalität zwischen den an den
Elektroden abgeschiedenen Massen (m) und den
dabei verbrauchten Ladungen (Q):
m = c Q
E
Ein Ring soll versilbert werden:
1)Ring in Elektrolyt mit Silberionen (Ag+-Ionen) legen.
2)Soll sich ein Silberion auf dem Ring absetzen,
muss der Ring ihm ein Elektron anbieten.
3)Dazu Ring mit Elektronen des Minus-Pols einer
Spannungsquelle versorgen.

Faradays Gesetze
Aufgabe Beschriftung
a) Beschriften Sie die Abbildung.
Wo sind Kationen, Kathode, Anode und Elektrolyt?
b) Wie viel mol Elektronen würde man brauchen, wenn man ein
mol Silber-Ionen (= 6,022·1023 Silber-Ionen) auf dem Ring
abscheiden möchte?
Pro Silberion, das sich abscheiden soll, benötigt man ein
Elektron. Für ein mol von Silberionen benötigt man also
auch ein mol Elektronen.
c) Ein Elektron hat die Ladung von 1,602.10-19 As (1 As = 1C) .
Wie groß ist dann die Ladung von einem mol Elektronen?
6,022 · 1023 mal 1,602.10-19 As = 96.500 C.
d) Wie viel g Silber könnte man mit
dieser Ladung auf den Ring bringen?
1 mol Elektronen -> ein mol Silber = 107,87 g Silber.
E

Faradays Gesetze
Aufgabe Silber
a) Wie viel Silber (Ag+) könnte man mit Hilfe eines Akkus von
2.000 mAh auf dem Ring in der Abb. abscheiden?
Wenn 1 mAh = 3.600 mAs = 3,6 As, dann liefert ein Akku
die Ladung Q = 2.000 mal 3,6 As = 7.200 As.
Dreisatz: 96.500 As entspricht 1 mol Silber (=107,87 g),
dann 7.200 As entspricht 8 g Silber.
b) Wie groß ist das "elektrochemische Äquivalent" c vom
Silber in Faradays Gleichung m = c Q ?
c = m/Q : Entweder c = 107,87g / 96.500 As, oder
c = 8g/7.200 As = 1,118 mg/As
c) Wie lange bräuchte man für die Abscheidung von 10 g
Silber, wenn man dazu eine Batterie mit 1,5 V verwen-den
würde? Der Widerstand der Leitung betrage 10 Ω.
t = Q/I = QR/U, Q aus10g Ag = 10g/107,87 g/mol
Ag = 92,7 mmol, also 8945,55 C, t = 16h 34min
E

Faradays Gesetze
Aufgabe Cu++
a) Wie schwer ist ein mol Kupfer-Atome? 63,55 g
b) Ein mol Cu++ Ionen wandern im Elektrolyten zur Katode. Wie viele mol
Elektronen bräuchte man dort, um sie zu neutralisieren und damit auf
der Katode als metallisches Kupfer abzuscheiden?
Pro Kupfer-Ion zwei Elektronen. Für 1 mol Kupfer zwei mol Elektronen.
c) Wie groß ist das elektrochemische Äquivalent von Kupfer Cu+?
1 mol Elektronen (96.500 C) neutralisieren 1 mol Kupfer (63,54g).
Damit ist c = 63,54g / 96.500 C = 0,66 mg/C.
E

Faradays Gesetze
Aufgabe Fe 3+
Bestimmen Sie das elektrochemische Äquivalent von Fe3+
1 mol Elektronen (96.500 C) neutralisieren 3 mol Eisen
(55,84g).
Damit ist c = 55,84g / (3x96.500 C) = 0,19 mg/C.
E

Faradays Gesetze
Aufgabe Cu
a) Bestimmen Sie die elektrochemischen Äquivalente für Cu und
SO4 in einer wässrigen Kupfersulfat-Lösung.
Pro Kupfer-Ion zwei Elektronen. 0,66 mg/C : 2 = 0,33 mg/C.
m(SO4) = (32+64)g/mol, c = 96g/(2·96.500C) = 0,5 mg/C
b) Welche Kupfermasse (Cu+) fließt bei 1 A in 1 Minute auf die
Elektroden-Oberfläche?
m = c Q = c I t = 0,66 mg/C 1A 60s = 40 mg
E

Galvanische Zellen
LLeerrnnzziieell:: HHaallbbzzeelllleenn--RReeaakkttiioonneenn bbeesscchhrreeiibbeenn kköönnnneenn..
Was passiert in einer Halbzelle?
Taucht man ein beliebiges Metall in eine
Lösung, lösen sich immer einige Atome
von der Oberfläche dieses Metalls und
werden zu Ionen in der Lösung.
Dabei lassen sie ein oder zwei Elektronen
im Metallgitter zurück.
Video: Kupfer geht in Lösung
Von jedem Metall, das man in eine
Flüssigkeit taucht, lösen sich Atome.
E

Galvanische Zellen
Dieses Phänomen ist bei allen Metallen zu
beobachten, aber es ist bei jedem Metall
unterschiedlich stark ausgeprägt.
Das eine Metall (z.B. Zink) gibt viele, das andere
(z.B. Kupfer) gibt wenige Kationen in Lösung.
Je mehr Oberflächenatome in Lösung
gehen, desto „unedler“ das Metall
E
Aufgabe Zinkstab
Was passiert, wenn man einen
Zinkstab (unedel) in eine Lösung gibt,
in der Kupfer-Ionen (edel) schwimmen?

Galvanische Zellen
Was passiert, wenn man einen Zinkstab
(unedel) in eine Lösung gibt, in der Kupfer-
Ionen (edel) schwimmen?
Lösung
Video: Elektrolytische Tauchabscheidung
Das chemische Potenzial ist ein Maß für
die Zahl der Atome, die in Lösung gehen.
E
Zn gibt Oberflächen-Atome in Lösung → Zn+
Zn+ und Cu+ sind gleichzeitig in Lösung.
Kupfer ist edler, d.h. es die stärkere Tendenz,
sich an der Oberfläche abzuscheiden.
Diese Tendenz heißt „chemisches Potenzial“.
Cu-Ionen scheiden sich an der Zn-Fläche ab.

Galvanische Zellen
Aufgabe
a) Welche chemische Reaktion läuft an jeder der
beiden Elektroden ab, sobald sie sich in dem
Elektrolyt befinden?
b) Zink und Kupfer haben unterschiedliche
chemische Potenziale. Das von Kupfer ist
positiver als das von Zink. Was folgt daraus für
das Zink im Vergleich zur Kupfer-Elektrode?
c) Fließt ein Strom, wenn man die beiden
Elektroden aus der Abbildung über einen Draht
miteinander verbindet?
d) Welche chemischen Reaktionen laufen nun in
den Halbzellen ab?
Video: Batterie
E

Opfer-Anode
E
Schrittweiser Abbau der
Opferanoden aus einem
Trinkwasser-Tank.
Rechts eine
ungebrauchte,
links eine vollständig
aufgelöse Opferanode
(auch der Tank ist durch
Korrosion angegriffen)
Opferanoden besitzen eine große Differenz
in der elektrochemischen Spannungsreihe,
z. B. bei Stahl – Magnesium: 2,3 Volt.

Redox-Paare
LLeerrnnzziieell:: eelleekkttrroocchheemmiisscchhee SSppaannnnuunnggssrreeiihhee aannwweennddeenn kköönnnneenn..
Was bewirkt das chemische Potenzial ?
Ein Metall Me wird in eine Lösung getaucht.
Je nach Metallsorte gehen unterschiedlich
viele Me als Kationen Me+ in Lösung
ihre Elektronen verbleiben im Metall.
Elektroden, die wenig Atome verlieren (Cu),
sind “edler“ als solche, die viele Atome
verlieren (Zn).
Die zurück gebliebenen Elektronen laden die
Elektrode negativ auf.
Die Elektrode erhält ein negatives Potenzial.
E
Je edler das Metall, desto positiver
sein elektrisches Potenzial.

Redox-Paare
Beispiel
Von der Metallsorte Kupfer Cu gehen
weniger viele Atome als Kationen Cu+ in
Lösung als von Zink (Zn).
Ein Atom (Me) und das oxidierte Kation (Me+)
bezeichnet man als Redoxpaar.
Das Redoxpaar Cu/Cu+ erzeugt weniger
Elektronen in der Elektrode, als das
Redoxpaar Zn/Zn+
Die zurück gebliebenen Elektronen laden die
Elektrode negativ auf.
Die Kupfer-Elektrode hat ein positiveres
Potenzial als die Zink-Elektrode.
Ein Redoxpaar besteht aus dem
Atom und dem Ion eines Elementes.
E

Spannungsreihe
Durch Kombination zweier Redoxpaare kann
man ihre Potenziale miteinander vergleichen.
E
Zwei Redoxpaare
liefern eine Spannung

Spannungsreihe
Ordnet man die Redoxpaare nach der Größe ihrer
Standard-Potenziale, erhält man die elektrochemische
Spannungsreihe.
E
Die elektrochemische
Spannungsreihe
ist eine Tabelle
mit den Potenzialen
verschiedener
Elektroden-Materialien.

Spannungsreihe
Aufgabe Standard-Potenziale
a) Welches ist das Standard-Potenzial
für die Reduktion von Cu++?
+ 0,35 V.
b) Welches ist das Standard-Potenzial
für die Oxidation von Cu++?
- 0,35 V.
c) Welches ist das Standard-Potenzial
für die Reduktion von Zn++?
- 0,76 V
d) Welches ist das Standard-Potenzial
für die Oxidation von Zn++?
+ 0,76 V
E

Spannungsreihe
Aufgabe FeZn
Eine Zelle bestehe aus einer Zn und einer Fe-Elektrode,
die jeweils in einer Lösung aus Zn2+ bzw. Fe3+ -Ionen
eingetaucht sind.
a) Welche Redox-Reaktion wird stattfinden?
E
3Zn → 3Zn2+ + 6e- (+0,76 V) und
2Fe3++ 6e- → 2Fe (-0,02
V) ergibt:
3Zn + 2Fe3+ → 2Fe + 3Zn2+
a) Welche Spannung wird eine solche Zelle liefern?
0,74 V

Zitronenuhr
Aufgabe
Wie arbeitet die Zitronenuhr mit einer Büroklammer aus
Stahlblech und einem Cent-Stück (enthält Kupfer) als Elektroden?
● Stahlblech der Büroklammer = unedler = Anode
● Kupfer des Centstücks = edler = Katode
● Zitronensaft = Elektrolyt
● Die Spannung Zw. Kupfer und Stahl betreibt die Uhr
Welches Bauteil löst sich mit der Zeit auf?
Büroklammer
Was würde passieren, wenn die Büroklammer
durch ein Centstück ersetzt würde?
keine Spannung, Uhr funktioniert nicht
Video: Die Zitronenbatterie
E

 Einige Fakten zu Batterien kennen.
 Grundlegende Eigenschaften der Akkus
kennen.
 Aussagen zur Wirtschaftlichkeit galvanischer
Zellen treffen können.
 Akkus effektiv und lange verwenden können.
E

Reale galvan. Zellen
Batterien werden beschrieben
durch ihre
 Leerlaufspannung UAB,
 den Kurzschlussstrom IK und
 den Innenwiderstand Ri
LLeerrnnzziieell:: EEiinniiggee FFaakktteenn zzuu BBaatttteerriieenn kkeennnneenn..
Batterien werden in einer Schaltskizze
dargestellt durch eine
Ohne Belastung wird zwischen den
Klemmen A und B die Spannung
UAB gemessen.
Im Kurzschluss (UAB = 0) fließt zwischen den
Klemmen A und B der Kurzschlussstrom IK .
Elektrochemie E
Ersatzschaltung aus
 idealer Spannungsquelle und
 Innenwiderstand.

Reale galvan. Zellen
Der Innenwiderstand wird auch Impedanz
genannt.
Eine hohe Impedanz begrenzt den
Stromfluss des Galvanischen Elements.
Beispiel
An einer 1,5 V Batterie werde ein
Kurzschlussstrom von 3A gemessen.
Welche Größe kann man daraus ableiten?
Die Impedanz
Wie groß ist die Impedanz?
R = U / I = 1,5V / 3A = 0,5Ω
Elektrochemie E

Batteriegrößen
Beispiel AR40
Was besagt der Buchstabe A? (Auf der nächsten
Folie ist eine hilfreiche Tabelle eingefügt)
dass es sich um eine Zink-Luft-Zelle handelt
Wofür steht der Buchstabe R?
Rundzelle
Welche Bedeutung
hat die Ziffer 40?
Zellengröße
Elektrochemie E
Panasonic
IEC
*
US-amerikanisch
* IEC = International Electrotechnical
Commission

Batteriegrößen
Elektrochemie E
Auszug aus
der IEC-Norm

Batterien
Die Batterie oder Trockenbatterie, ist offiziell eine sog. Primärzelle:
Warum “Primär” ?
weil sie nach
einmaliger
Entladung
verbraucht ist
Eine der beiden Zellen rechts ist
ein sog. Leclancè-Element, eine
erste Bauweise einer tragbaren
Batterie. Woran erkennt man es?
Übertragen Sie – wo möglich - die
Bauelemente dieser Ur-Batterie
auf die Schnittdarstellung der Zink-
Kohle-Batterie.
Wo befindet sich was?
E
Warum “Zelle” ?
weil sie nur ein
einziges
Elektrodenpaar
aufweist

Batterien
Es gibt Alkali-Mangan- und Zink-Kohle-Batterien.
Alkali-Mangan-Batterien heißen so, weil ihr Elektrolyt ein
Element der ersten Hauptgruppe (Alkalimetalle, z.B. Li, Na, K)
im PSE enthält, meist eben Kalium in der Verbindung KOH.
Eine Zink-Kohle Batterie besteht aus einem Zink-Behälter in
dem sich Salmiaklösung und Braunstein befinden. In dieser
Füllung der Zink-Kohle Batterie befindet sich ein Kohlestift.
E

Fragen
Nennen Sie ein galvanisches Element.
Akkumulator, Batterie
1) Was befindet sich in einer galvanischen Zelle zwischen Katode und
Anode?
Ein Elektrolyt.
1) Woraus besteht die Anode einer Batterie meistens? Aus Zink.
2) Welche Elektrode bildet den positiven Pol einer Batterie?
Die Katode.
1) Welche Bausteine befinden sich in
der Ersatzschaltung einer Batterie?
Ideale Spannungsquelle und Impedanz.
1) Was ist ein Kurzschlussstrom?
Der Strom, der direkt (ohne Umleitung über einen
Verbraucher) vom Plus- zum Minuspol fließt.
1) Wie nennt man den Innenwiderstand eines Galvanischen Elements noch?
Impedanz.
E

Fragen
Ist eine Babyzelle größer als eine Monozelle?
Nein: Micro, Mignon, Baby, Mono
8) Wie kann man mit einfachsten Mitteln aus zwei verschiedenen
Metallen eine Batterie herstellen?
Indem man beide über einen Elektrolyten miteinander verbindet.
8) Sortieren Sie die folgenden Metalle so, dass das edelste zuerst
und das unedelste zuletzt genannt wird: Zink, Zinn, Kupfer,
Magnesium
Kupfer, Zinn, Zink, Magnesium
8) Wofür steht bei der Bezeichnung einer Batterie der Buchstabe L?
für eine Alkali-Mangan-Batterie
8) Lässt sich aus der amerikanischen Kennzeichnung “AAA”
erkennen, ob es sich um eine Zink-Kohle-Batterie handelt?
Nein, da AAA nur die Größe, aber nicht den Batterietyp angibt.
Elektrochemie E

Akkumulatoren
LLeerrnnzziieell:: GGrruunnddlleeggeennddee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn AAkkkkuuss kkeennnneenn..
Die meisten verbreiteten Rundzellen
werden in Wickeltechnik hergestellt:
Die positive und die negative Elektrode
werden – getrennt durch den Separator –
in Streifen übereinander gelegt und
aufgewickelt.
Im Akku befindet sich ein flüssiger,
gelartiger oder sogar fester Elektrolyt.
Beim Laden der Zelle entsteht
Wasserstoff.
Wird der Akku zu heiß (z.B. beim Auf-laden),
dehnt sich der Wasserstoff aus.
Ein Teil des Wasserstoffs wird durch das
Überdruckventil im Deckel ausgeblasen,
um ein Platzen zu verhindern.
E

Kapazität
Elektrochemie E
Luftballon:
enthält umso
mehr Luft,
je stärker der
Druck,
mit dem die
Luft hinein
gedrückt wird.
Akku:
enthält umso
mehr Ladung,
je stärker die
Spannung,
mit dem die
Ladung hinein
gedrückt wird.

Kapazität
Mit der Spannung U wird der
Akku solange mit Ladung
gefüllt, bis die Gegenspannung
im Akku gleich groß ist.
Elektrochemie E
Der Wert der
Spannung ist
auf dem Akku
angegeben
Die Einheit
der Kapazität
ist das Farad
(nach Michael
Faraday).
Mit dem Druck p wird der
Luftballon solange mit Luft
gefüllt, bis der Gegendruck
im Luftbalon gleich groß ist.
Kapazität=
Luftmenge
Überdruck

Kapazität
Aufgabe NiMH-Akku
Wie groß ist die Ladung eines
NiMH-Akkus mit 2.000 mAh ?
2 A · 3.600 s = 7.200 C
Wie groß ist die (echte) Kapazität des Akkus?
C = Q/U = 7.200 C / 1,2 V = 6.000 F
Elektrochemie E

Kapazität
Aufgabe 12 Stunden
Ein Akkumulator (1,2 V) wird 12 Stunden lang mit
einem konstanten Strom I = 56 mA geladen und ist dann
voll. Verluste sollen zunächst unberücksichtigt bleiben
(Ladewirkungsgrad η = 1).
a) Berechnen Sie die dem Akkumulator zugeführte
Ladungsmenge.
Q = It = 56·10-3 A ·(12 · 3.600 s) = 2,42 kC
a) Wie groß ist die Ladungsmenge, wenn der
Wirkungsgrad des Ladegeräts nicht 100% sondern
93% beträgt?
Qges = Q·η = 2,25 kC
b) Standardmäßig kalkuliert man das 1,4-fache der
erforderlichen Zeit, um die Verluste zu
berücksichtigen. Wie lange dauert die Aufladung
dann im Fall a) ?
t ' = 1,4· t = 16,8 h
E

Kapazität
Aufgabe 1.800 mAh
Ein Akkumulator (1,2 V) hat
eine Ladung von 1.800 mAh.
a) Wie groß ist der erforderliche Ladestrom I, wenn
die Ladungszeit 12 Stunden betragen soll und
der Ladewirkungsgrad mit η = 0,8 angenommen
wird ?
I = Q / (t·η) = (1,8 Ah) / (12h · 0,8) = 187,5 mA
a) Wie groß ist die Kapazität C des Akkus ?
C = Q/U =(1,8 A·3.600 s) / 1,2 V = 5,4 kF
E

Kapazität
Aufgabe 5,8 Ampere
Ein Akkumulator (1,2 V) wird 2 Stunden und 40 Min.
lang mit einem Strom von I = 5,8 A geladen. Wie groß
ist – unter Berücksichtigung der Standardverluste – die
in den Akku gedrückte Ladung ...
a) in Ah?
E
Q = I·t / 1,4 = (5,8 A · 2,667 h) / 1,4 = 11 Ah
a) in As ?
Q = I·t / 1,4 = (5,8 A · 9.600 s) / 1,4 = 39,78·103 As

Fragen
Eine Kamera verbraucht bei 4 Volt einen Strom von rund 300 mA.
Welche elektrische Leistung ergibt sich daraus? 1,2 W
1) In welcher Einheit wird die elektrische Arbeit angegeben? Ws, Wh oder kWh.
2) Welche Einheit und welche Bedeutung hat die Zahl,
die auf Akkus angegeben ist? mAh = Ladungseinheit
3) Wie verhält sich die Spannung einer Zelle, wenn ihr ein immer größerer Strom
entzogen wird? Die Spannung wird immer kleiner.
4) Welche Spannung hat eine unbelastete Trockenbatterie, welche ein NiMH-Akku?
1,5 V bzw. 1,2 V
5) Drücken Sie die Ladung von 360 mAh in Coulomb aus.
0,36A · 3.600s = 1.296 C
6) Was stellt die nebenstehende Abbildung dar?
Elektrochemie E

Fragen zum Film
LLeerrnnzziieell:: AAuussssaaggeenn zzuurr WWiirrttsscchhaaffttlliicchhkkeeiitt ggaallvvaanniisscchheerr ZZeelllleenn ttrreeffffeenn kköönnnneenn..
Film D-6: Akku vs. Batterie
Woher kommt die Bezeichnung “Alkali-Batterie”?
Der Elektrolyt enthält ein Alkalimetall.
1. Wie oft lässt sich ein Akku wieder aufladen?
Mehrere hundert Male.
2. Wieviel mehr Ladung als in einer Batterie passt
in die NiMH-Akkus? Etwa 5 mal so viel.
3. Die Akkus haben einen höheren Innenwiderstand
als die Batterien – stimmt das? Nein, umgekehrt.
4. Warum ist bis vor kurzem die Verwendung von
Batterien bei manchen Geräten sinnvoller gewesen?
Wegen der geringeren Selbstenladung setzte man
sie in Geräte mit geringem Strombedarf ein (Wanduhr, Fernbedienung ...)
5. Was darf man mit verbrauchten Batterien aus Umweltschutzgründen nicht machen?
Die Batterien dürfen nicht mit dem Hausmüll entsorgt werden.
Elektrochemie E

Akkumulatoren
Aufgabe
Überprüfen Sie die Behauptung, dass es billiger sei,
Akkus zu verwenden. Vergleichen Sie
4 Akkus (NiMH, 2.000 mAh, Preis:12,- €),
die 700 mal in einem
Ladegerät (30,-€) mit einem
Ladewirkungsgrad von 71% aufgeladen werden
Strompreis 20 ct/kWh
Alternative: 4 mal 700 Alkali-Batterien
(3,50 € für den 4er Pack).
E

Akkumulatoren
Aufgabe
Um welchen Faktor sind Batterien, die 4 Akkus ersetzen,
teuer, wenn folgende Umstände gegeben sind ?
Akku-Typ: NiMH, 2.500 mAh, 14,- Euro für 4 Stück,
500 mal wieder aufladbar,
Ladegerät, digital, Einzelkammer-Steuerung, 35,- €,
Wirkungsgrad 93%
Strompreis 18,5 ct/kWh,
Preis von 4 Alkali-Mangan-Batterien: 4,20 €
E

Akkumulatoren
Die Zellenspannung von Trockenbatterien sinkt bei Belastung mit der
Zeit kontinuierlich, währen sie bei Akkus zwar anfangs etwas absinkt,
dann aber über einen langen Zeitraum weitgehend konstant bleibt.
NiCd‑ u. NiMH‑Akkus halten die Spannung konstanter
als Trockenbatterien: Ihre Spannungslage ist besser.
E

Selbstentladung
Durch Selbstentladung verliert ein Akku
innerhalb von 1 Monat etwa 10% seiner
Ladung.
E
Je wärmer ein Akku lagert, um
so höher seine Selbstentladung
Seit 2006 gibt es NiMH-Akkus, die nach
Herstellerangaben eine sehr geringe
Selbstentladung von weniger als 20 %
nach einem Jahr aufweisen. Die ersten
dieser Akkus waren:
Sanyo eneloop, Ansmann MaxE,
Uniross Hybrio und AccuLoop.
Diese Akkus kommen im voll
geladenen Zustand in den Handel
und lassen sich
sofort verwenden.
Neuartige Akkus
Die Selbstentladung von Akkus
beträgt ca. 10% pro Monat.

Selbstentladung
Elektrochemie E

Memory-Effekt
Unter dem Memory-Effekt versteht man das
Phänomen, dass ein Akkus sich daran „erinnert“, bis zu
welcher Kapazität er beim letzten Mal entladen wurde.
Dadurch sinkt die Spannungslage im Restverlauf ab.
E
Gegenmaßnahmen:
den Akku so weit entleeren, bis
das Gerät abschaltet:“Geräte-
Abschaltspannung“ abwarten.
oder
Ladegerät mit Entladefunktion
verwenden. Jede Zelle wird erst
entladen bevor sie geladen wird.

Fragen
Nennen Sie einen anderen Namen für “Batterie”. Primärzelle, galvanische Zelle
1) Welche Batteriearten gibt es? Alkali-Mangan-Batterie und Zink-Kohle-Batterie.
2) Welche Batterie hat eine ca. drei mal höhere Energiedichte als welche andere
Batterieart? Alkali-Mangan-Batterie im Vgl. zur Zink-Kohle-Batterie
3) Was ist ein Akku? Eine wieder aufladbare Batterie
4) Nennen Sie einen anderen Namen für “Akku”. Sekundärzelle.
5) Wird Zink in einer Zink-Kohle-Batterie reduziert oder oxidiert? Oxidiert
6) Welches Ende einer Batterie ist die Katode? Das mit dem Knopf.
7) Was ist unter der Katode eines Akkus verborgen? Ein Druckventil.
8) Welche Akkutypen gibt es? Bleiakku, NiCd, NiMH, Li-Ion, Li-Po
9) Welche Spannung hat ein Rundzellen-Akku? 1,2 V
10)Welchen Einfluss hat die Umgebungstemperatur auf die Selbstentladung eines Akkus?
Mit der Temperatur steigt die Selbstentladung an.
11)Durch was für eine “Lage” ist eine Zelle gekennzeichnet, deren Spannung im Laufe der
Benutzung relativ wenig abnimmt? Durch eine gute Spannungslage.
Elektrochemie E

-ΔU - Ladeverfahren
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E

Akkupflege
Tipps für ein langes Akkuleben
1) Besorgen Sie sich ein Ladegerät mit
Entladefunktion und Überladungsschutz.
2) Entladen Sie Akkus vor jeder Aufladung.
3) Lagern Sie Akkus nur in geladenem
Zustand, sonst zerstört die Tiefenentladung
den Akku.
D-7:
E

Fragen zum Film
Ein Ni-MH-Akku speichert umso weniger Ladung,
je öfter er benutzt wird? Ja.
1. Sollte ein NiMH- gegen einen NiCd-Akku
ausgewechselt werden? Nein, umgekehrt.
2. Welche Akku-Art wird zur Zeit in Notebooks
verwendet ? Li-Ionen-Akkus.
3. Akkus werden zerstört durch Tiefenentladung.
Was ist das ? Entladung auf unter 0,8 V.
4. Kann ein Akku durch die Selbstentladung
tief-entladen werden? Ja.
5. Bei niedrigeren Temperaturen entlädt sich ein ausgebauter Akku langsamer.
Sollte man den Akkus im Kühlschrank lagern?
Nein, das Kondenswasser koorodiert die Kontakte.
6. Welche Akku-Art wird mittlerweile bei Handys bevorzugt eingebaut ?
Li-Polymer-Akkus.
7. Wie lange dauert es ungefähr, bis man einen neuen Akku braucht? 2 Jahre.
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Akku-Vergleich
Elektrochemie E

Fragen
Kann man Ni-Cd- einfach gegen Ni-MH-Akkus austauschen? Ja.
1. Können Akkus mit ihrer Nennspannung von 1,2V in Geräten verwendet werden,
die mit alkalischen Zellen von je 1,5 V betrieben werden? Ja.
2. Was kann man beim Laden falsch machen? Tiefen-Entladen, Überladen, zu früh
laden.
3. Spielt die Umgebungstemperatur beim Laden eine Rolle? Nein
4. Ist der Akku nach einer Tiefenentladung kaputt? Ja.
5. Soll man den Akku bei längerer Nichtbenutzung aus dem Gerät nehmen? Ja.
6. Wie sollte ein Akku gelagert werden ? Kühl, geladen und trocken
7. Ist es normal, dass die Akkus beim Laden warm werden? Ja.
8. Ein Akku mit der Ladung von 1.300 mAh soll bei einem Ladestrom von
140 mA geladen werden. Wie lange dauert der Aufladevorgang? 13 h
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