neue batterie typen
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OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
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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Grundlagen
Energiedichte
Die „alte“ Batterie
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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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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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Grundlagen
Energiedichte
Die „alte“ Batterie
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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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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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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
Grundlagen
Energiedichte
Die „alte“ Batterie
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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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Neue Batterietypen
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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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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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Vorführung einer NaS-
Batterie
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Positive Elektrode: Schwefel
Elektrolyt: ß-Al2O3-Keramik
Negative Elektrode: Natrium
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Neue Batterietypen
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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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Lithium- und Lithiumnitrat
superschnell
nachladbare Li-Ionen
Batterien
In 1min = 80%
geladen
negative Elektrode
Nano-Partikeln
C = 600mAh
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Neue Batterietypen
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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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Neue Batterie-Typen
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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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Natrium/Nickelchlorid
Betriebstemperatur von 300°C
Energiedichte von 100 Wh/kg
600 Ladezyklen
Ziel: 1000 Zyklen & 5 Jahre Lebensdauer
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30OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
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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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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Neue Batterietypen
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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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Urin Batterie
Eine papierdünne Batterie
0,2ml Urin = 1,5mW
Urin dient zur Krankheitsdiagnose
gleichzeitig auch als Energiequelle
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37OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
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
38OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
Super Caps (Kondensator)
Energiedichte 5-20 kWs/kg
Leistungen von bis zu 10kW
Zyklenzahl ca. 1 Million
Energieeffizienz liegt bei ~95%
39OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
Tanken der geladenen
Elektrolyt-Substanz
Das ‚Strom- Tanken’ würde dann nicht
länger dauern als das bisherige
Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 %
teurer sein.
40OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
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