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Neue Batterie Typen
1.
OSZ Lise-Meitner-Schule ©
Sebastian Shepherd
2.
Übersicht
Grundlagen Energiedichte Die ‚alte‘ Batterie Neue BatterieTypen ○ Natrium Schwefel ○ Lithium- und Lithiumnitrat ○ Genetisch veränderte Viren ○ Zink - Kohle ○ Zink/Luft-Batterie ○ Natrium/Nickelchlorid ○ Körper Batterie ○ Urin Batterie ○ Super Caps (Kondensator) Das ‚Strom-Tanken‘ Quellen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 2
3.
Grundlagen Energiedichte
Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 3
4.
OSZ Lise-Meitner-Schule ©
Sebastian Shepherd 4
5.
Grundlagen Die gespeicherte chemische Energie
wird durch elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einer Ionenbrücke wird der Stromkreis geschlossen. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 5
6.
Grundlagen
Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest. Kapazität C in [Ah] entnehmbare Ladungsmenge hängt vom Entladestrom und der Entladeschlussspannung ab Im praktischen Gebrauch abhängig vom: Batterietyp der Höhe des Entladestroms der Restspannung bei Entladungsende des Batteriealters und der Temperatur OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 6
7.
Grundlagen Energiedichte
Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 7
8.
OSZ Lise-Meitner-Schule ©
Sebastian Shepherd 8
9.
Energiedichte
Die Energiedichte bezeichnet die Verteilung von Energie E auf eine bestimmte Größe X volumetrische gravimetrische Energiedichte Energiedichte Maß für die Energie Maß für die Energie pro Raumvolumen pro Masse Einheit Joule/m³ Einheit Joule/kg OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 9
10.
Energiedichte Gewünscht ist eine
hohe Energiedichte: um Transportkosten für den Energieträger gering zu halten um hohe Betriebsdauern mobiler Geräte zu ermöglichen um hohe Reichweiten von Fahrzeugen zu erzielen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 10
11.
Energiedichte
Stoff/System Bemerkung in MJ/kg Elektrolytkondensator 0,00005 = 50 J/kg Doppelschicht-Kondensator 0,02000 Adenosintriphosphat (ATP) 0,06430 Energiespeicher in biologischen Zellen Bleiak k umulator 0,11000 stärkste Sprengstoffe 7,00000 Zink-Luft-Batterie 1,20000 Wasserstoff (inkl. Hydridtank) 1,19000 mitteleuropäische Nutzhölzer 13,00000 - 20,00000 Braunkohle 28,47000 Steinkohle 30,00000 Pflanzenöl 37,00000 Kerosin 40,00000 Dieselkraftstoff 39,60000 - 43,20000 Benzin 43,00000 Atomarer Wasserstoff 216,00000 spontane Reaktion zu H2 Radioisotopengenerator 5000,00000 elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch) Kernspaltung U-235 90000000,00000 Kernfusion (Kernwaffe) 300000000,00000 Proton-Proton-Reaktion 627000000,00000 Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne Umwandlung Masse in Energie 90000000000,00000 3,6 MJ = 1000Wh OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 11
12.
Grundlagen Energiedichte
Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 12
13.
OSZ Lise-Meitner-Schule ©
Sebastian Shepherd 13
14.
Die ‚alte‘ Batterie
Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern, obwohl ihre Energiedichte so gering ist. Energiedichte = 110 KJ/kg OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 14
15.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 15
16.
Natrium-Schwefel
Übliche Batterien bzw. Akkumulatoren Alternative die Na/S-Batterie enthalten Schwermetalle Viel leichter oftmals eine zu große Masse Probeweise zum Antrieb in Autos reduziert ihre Energiedichte Wieder aufladbar Entsorgung Probleme Reversible Redoxreaktion Elektrolyte sind ätzend Lässt man Reduktion und Oxidation durch ein Diaphragma getrennten Reaktionsräumen ablaufen, so baut sich eine Spannung auf. Diese beträgt ≈ 2,1 V. (Idealbedinung) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 16
17.
Natrium-Schwefel Probleme
Schwefel ist ein Isolator Durch Zusatz von Graphitpulver elektrisch leitend gemacht. Reaktionsräume müssen getrennt bleiben aber über ein Leiter verbunden sein Durch eine keramische Membran aus Aluminiumoxid ionischen Aufbaus zugleich Elektrolyt und für Natrium-Ionen durchlässig Keramikmembran nur bei höherer Temperatur Ionendurchlässig Akkumulator Temperatur ca. 290-350 °C Natrium reagiert leicht mit Sauerstoff und Wasser: Die Batterie muss (vor allem, wenn sie erhitzt wird) luftdicht abgeschlossen werden Spannung und Stromstärke sind für den Betrieb eines Autos zu gering: Reihen-Parallelschaltung Heute ist die Na/S-Batterie über das Versuchsstadium hinaus Praktische Energiedichte beträgt 0,120 kWh/kg. Sie gilt als das momentan aussichtsreichste System. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 17
18.
Vorführung einer NaS- Batterie
Positive Elektrode: Schwefel Elektrolyt: ß-Al2O3-Keramik Negative Elektrode: Natrium OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 18
19.
OSZ Lise-Meitner-Schule ©
Sebastian Shepherd 19
20.
OSZ Lise-Meitner-Schule ©
Sebastian Shepherd 20
21.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 21
22.
Lithium- und Lithiumnitrat
Gleiches Gewicht wie Bleiakkumulatoren 7x Energiespeicherkapazität Energiedichte = 200 Wh/kg leichteste Metall Fester Innenleiter keine Auslaufgefahr Dünne-Batterien Ø=0,8mm OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 22
23.
Lithium- und Lithiumnitrat
superschnell nachladbare Li-Ionen Batterien In 1min = 80% geladen negative Elektrode Nano-Partikeln C = 600mAh OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 23
24.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 24
25.
Zink - Kohle
Weiterentwicklungen sollen kleiner & regenerationsfähiger werden Leistung ist um 32,2% besser und Quecksilberfrei Genauso stark und um die Hälfte billiger als Bleiakkumulatoren OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 25
26.
Neue Batterie-Typen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Schwefel-Lithium o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 26
27.
Zink/Luft-Batterie
Prinzip war schon Thomas Edison bekannt Bei gleichem Energiegehalt um 80% leichter als herkömmliche Bleiakkumulatoren Energiedichte = 1,2 KJ/kg Leicht Zink-Annode & O2 Kathode Laptop Akkus können damit Laufzeiten von bis zu 20 Stunden erreichen ZOXY-Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 27
28.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 28
29.
Natrium/Nickelchlorid
Betriebstemperatur von 300°C Energiedichte von 100 Wh/kg 600 Ladezyklen Ziel: 1000 Zyklen & 5 Jahre Lebensdauer OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 29
30.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 30
31.
Genetisch veränderte Viren
Forscher entwickeln an genetisch veränderte Viren, die aktive Battierekomponenten mit kompakter Struktur bilden Ziel: Ultradünn transparente Batterieelektroden 3x mehr Energie speicherbar als mit Lithium-Ionen Sie könnte sich quasi selbst zusammenbauen Möglich wären „unsichtbare“ Hochleistungsbatterien an Flachbildschirmen, Handys, Laptops oder Hörgeräten Könnten aber auch zur Verbesserung von Katalysator oder Solarzellen beitragen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 31
32.
Genetisch veränderte Viren
M13-Vieren wickeln sich zu langen dünnen Zylinder auf Forscher ergänzten zusätzliche Nukleotid-Sequenzen zur Viren-DNA Proteine bilden zusätzlich Aminosäuren die Kobalt-Ionen binden Eine Kobaltoxidschicht bildet sich dann nach einer Reaktion mit Wasser über die Viren Die Viren können dann als Elektrode dienen 2x größere Kapazität wie kohlenstoffbasierte Elektroden Eine Veränderung der DNA zur Bindung an Gold führt zu einer höheren Energieausbeute von 30% OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 32
33.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 33
34.
Körper Batterie
2002 entwickelten Forscher eine Batterie die ihre Energie aus der Körperflüssigkeit von Menschen bezieht Aus der Reaktion von Sauerstoff mit Zucker Elektronen werden dem Zucker entrissen Zwei mit Kohlestoff-Fasern werden in den Körper implantiert Bei einer Körpertemperatur von 37ºC und einem pH- Wert von 7,2 erreicht die Batterie eine Leistung von ca. 1,9 Microwatt Einsatz: Überwachung des Blutzuckerspiegels nur noch nicht für höheren Energiebedarf OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 34
35.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 35
36.
Urin Batterie
Eine papierdünne Batterie 0,2ml Urin = 1,5mW Urin dient zur Krankheitsdiagnose gleichzeitig auch als Energiequelle OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 36
37.
Neue Batterietypen
o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 37
38.
Super Caps (Kondensator)
Dienen ursprünglich für satellitengestützte Laserkanonen Sollen nun Stromspitzen in Elektroautos liefern, die beim Anfahren oder starken Beschleunigen nötig sind Verlängert Batterielebensdauer um das 400fache OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 38
39.
Super Caps (Kondensator)
Energiedichte 5-20 kWs/kg Leistungen von bis zu 10kW Zyklenzahl ca. 1 Million Energieeffizienz liegt bei ~95% OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 39
40.
Tanken der geladenen
Elektrolyt-Substanz Das ‚Strom- Tanken’ würde dann nicht länger dauern als das bisherige Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 % teurer sein. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 40
41.
Quellen Internet http://www.buch-der-synergie.de www.wikipedia.de www.chemieunterricht.de/dc2/tip/index.html http://62.154.248.103/news/2006-6-22-11-0-31.html Literatur [1]G. Dahlke, Die
Natrium-Schwefel-Batterie. Praxis (Chemie) 3/38, (1989), 14-18. [2]VEBA AG (Herausgeber): Das Elektroauto - Fakten und Argumente, Düsseldorf 1992. (Adresse: VEBA AG, Bennigsenplatz 1, 40474 Düsseldorf.) [3]R. Blume, A. Hildebrand und U. Hilgers: Umweltchemie im Unterricht. Ein praktischer Leitfaden; Cornelsen-Verlag, Berlin 1996, 279 S; (ISBN 3-464-03513-1). OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 41
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