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Page 1: Neue Batterie Typen

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Page 2: Neue Batterie Typen

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

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Page 3: Neue Batterie Typen

Grundlagen

Energiedichte

Die „alte“ Batterie

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Page 4: Neue Batterie Typen

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Page 5: Neue Batterie Typen

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.

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Page 6: Neue Batterie Typen

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

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Page 7: Neue Batterie Typen

Grundlagen

Energiedichte

Die „alte“ Batterie

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Page 8: Neue Batterie Typen

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Page 9: Neue Batterie Typen

Energiedichte Die Energiedichte bezeichnet die Verteilung

von Energie E auf eine bestimmte Größe X

volumetrische

Energiedichte

Maß für die Energie

pro Raumvolumen

Einheit Joule/m³

gravimetrische

Energiedichte

Maß für die Energie

pro Masse

Einheit Joule/kg

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Page 10: Neue Batterie Typen

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

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Page 11: Neue Batterie Typen

Stoff/SystemEnergiedichte

in MJ/kgBemerkung

Elektrolytkondensator 0,00005 = 50 J/kg

Doppelschicht-Kondensator 0,02000

Adenosintriphosphat (ATP) 0,06430 Energiespeicher in biologischen Zellen

Bleiakkumulator 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

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3,6 MJ = 1000Wh

Page 12: Neue Batterie Typen

Grundlagen

Energiedichte

Die „alte“ Batterie

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Page 13: Neue Batterie Typen

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Page 14: Neue Batterie Typen

Die ‚alte‘ Batterie

Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern, obwohl ihre Energiedichte so gering ist.

Energiedichte = 110 KJ/kg

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Page 15: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

o N a t r i u m - S c h w e f e l

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Page 16: Neue Batterie Typen

Lässt man Reduktion und Oxidation durch ein Diaphragma getrennten Reaktionsräumen ablaufen, so baut sich eine Spannung auf.

Diese beträgt ≈ 2,1 V. (Idealbedinung)

Alternative die Na/S-Batterie

Viel leichter

Probeweise zum Antrieb in Autos

Wieder aufladbar

Reversible Redoxreaktion

Übliche Batterien bzw. Akkumulatoren

enthalten Schwermetalle

oftmals eine zu große Masse

reduziert ihre Energiedichte

Entsorgung Probleme

Elektrolyte sind ätzend

Natrium-Schwefel

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Page 17: Neue Batterie Typen

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.

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Page 18: Neue Batterie Typen

Vorführung einer NaS-

Batterie

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Positive Elektrode: Schwefel

Elektrolyt: ß-Al2O3-Keramik

Negative Elektrode: Natrium

Page 19: Neue Batterie Typen

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Page 20: Neue Batterie Typen

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Page 21: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 22: Neue Batterie Typen

Lithium- und Lithiumnitrat

Gleiches Gewicht wie Bleiakkumulatoren 7x Energiespeicherkapazität

Energiedichte = 200 Wh/kg

leichteste Metall

Fester Innenleiter keine Auslaufgefahr

Dünne-Batterien Ø=0,8mm

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Page 23: Neue Batterie Typen

Lithium- und Lithiumnitrat

superschnell

nachladbare Li-Ionen

Batterien

In 1min = 80%

geladen

negative Elektrode

Nano-Partikeln

C = 600mAh

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Page 24: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 25: Neue Batterie Typen

Zink - Kohle

Weiterentwicklungen sollen kleiner &

regenerationsfähiger werden

Leistung ist um 32,2% besser und

Quecksilberfrei

Genauso stark und um die Hälfte billiger

als Bleiakkumulatoren

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Page 26: Neue Batterie Typen

Neue Batterie-Typen

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Page 27: Neue Batterie Typen

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 erreichenZOXY-Batterie

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Page 28: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 29: Neue Batterie Typen

Natrium/Nickelchlorid

Betriebstemperatur von 300°C

Energiedichte von 100 Wh/kg

600 Ladezyklen

Ziel: 1000 Zyklen & 5 Jahre Lebensdauer

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Page 30: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 31: Neue Batterie Typen

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

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Page 32: Neue Batterie Typen

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%

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Page 33: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 34: Neue Batterie Typen

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

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Page 35: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 36: Neue Batterie Typen

Urin Batterie

Eine papierdünne Batterie

0,2ml Urin = 1,5mW

Urin dient zur Krankheitsdiagnose

gleichzeitig auch als Energiequelle

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Page 37: Neue Batterie Typen

Neue Batterietypen

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Page 38: Neue Batterie Typen

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

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Page 39: Neue Batterie Typen

Super Caps (Kondensator)

Energiedichte 5-20 kWs/kg

Leistungen von bis zu 10kW

Zyklenzahl ca. 1 Million

Energieeffizienz liegt bei ~95%

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Page 40: Neue Batterie Typen

Tanken der geladenen

Elektrolyt-Substanz

Das ‚Strom- Tanken’ würde dann nicht

länger dauern als das bisherige

Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 %

teurer sein.

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Page 41: Neue Batterie Typen

QuellenInternet

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). 41OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd