3malE-Schulwettbewerb: Mobile Energiequellen und der Lithiumionenakkumulator

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1 3malE-Schulwettbewerb: Mobile Energiequellen und der Lithiumionenakkumulator Ziel dieses Wettbewerbbeitrages ist es, funktionsfähige, langlebige Lithiumionenakkumulatoren zu konstruieren und zu testen. Grundlage für das Experiment waren verschiedene Experimentiervorschriften, die im Internet zur Verfügung stehen. Diese wurden so weiterentwickelt, dass die konstruierten Akkumulatoren auch für weitere Schülergenerationen zur Verfügung stehen und in den nächsten Jahren einfach im Schülerexperiment genutzt werden können und das Prinzip des Akkumulators als wiederverwendbarer Energiespeicher auch deutlich wird. Aus diesem Grund wurde das Material so ausgewählt, dass die verwendeten Lösungsmittel dauerhaft aufbewahrt werden können und nicht verdunsten. So wurden als Gefäße für die Lösungsmittel dicht schließende Schraubdeckelweithalsgefäße ausgewählt, in denen die Elektroden auf Graphitfolienbasis komplett untergebracht werden können.

2 Konstruktion eines einfachen Lithiumionenakkus: Käuflich erwerbbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren basieren auf interkalationsfähigen Elektrodenmaterialien, in die während des Ladevorganges Lithium-Ionen ein- bzw. ausgelagert werden. Als Elektrodenmaterialien werden als Anodenmaterial Graphit, als Kathodenmaterial Lithiummischmetalloxide verwendet, die in der Schule nicht verwendet werden können. Graphit besitzt die Eigenschaft, neben positiv geladenen Lithium-Ionen auch große, einfach negativ geladene Anionen in seine hexagonal planare Schichtstruktur zu interkalieren. Als Ersatz für das Kathodenmaterial dient hier deshalb ebenfalls eine Graphitelektrode, bei der Perchlorationen in das Graphit interkalieren und so einen geschlossenen Stromkreis ermöglichen. Experimentalvorschrift : 1 g Lithiumperchlorat wurden im Verhältnis 1 : 1 in 25 ml Dimethylcarbonat und 25 ml Propylencarbonat mithilfe eines Magnetrührers gelöst und in das 100 ml Weithalsgefäß mit Schraubdeckel mit den Elektroden gegeben und direkt im Anschluss mit 3 cm Paraffinöl überschichtet, um wasserfrei zu arbeiten. Auf jede Seite wurde eine Graphitelektrode in die Mischung getaucht und 5 min bei knapp unter 5V elektrolysiert. Nach 5 min wurden verschiedene Verbraucher angeschlossen. Sowohl eine LED als auch ein kleines Windrad konnten kurze Zeit betrieben werden. Es stellte sich heraus, dass die Spannung. der Zelle innerhalb kurzer Zeit stark abnahm und der Akku dementsprechend sich schnell wieder entlud. Aus diesem Grund wurde an einer Verbesserung des Akkus durch Vergrößerung der Elektrodenoberfläche gearbeitet.

3 Konstruktion eines einfachen Lithiumionenakkus mit zwei Graphitelektroden: Oben: 1 g Lithiumperchlorat wurden im Verhältnis 1 : 1 in 25 ml Dimethylcarbonat und 25 ml Propylencarbonat gelöst. Rechts: Entladevorgang mit zwei Stab- Graphitelektroden. Die Spannung fällt unter Last rasch ab.

4 Verbesserung der Kapazität des Akkumulators durch Vergrößerung der Elektrodenoberfläche: Experimentalvorschrift : Mithilfe einer Schere wurden aus 1 mm dicker Graphitfolie zwei in das 250 ml große Weithalsgefäß passende Elektroden ausgeschnitten. Um eine Berührung der Elektroden zu vermeiden, wurde ein Separator aus einem trockenen, neuen Schwammtuch ausgeschnitten und alles in dem Gefäß zusammengefügt, sodass dieses mit dem Deckel geschlossen werden kann. 4 g Lithiumperchlorat wurden im Verhältnis 1 : 1 in 75 ml Dimethylcarbonat und 75 ml Propylencarbonat mithilfe eines Magnetrührers gelöst und in das Gefäß mit den Elektroden gegeben und direkt im Anschluss mit 3 cm Paraffinöl überschichtet, damit sich der Schwamm nicht mit dem Lösungsmittel vollsaugt.

5 Verbesserung der Kapazität des Akkumulators durch Vergrößerung der Elektrodenoberfläche: Experimentalvorschrift : Anschließend konnte der Akku mithilfe von Krokodilklemmen und einem Transformator geladen werden. Dabei wurde eine Spannung 5 V gewählt. Diese wurde mithilfe eines Spannungsmessgerätes kontrolliert. Schon nach einer Ladezeit von 5 min konnten in verschiedenen Experimente unterschiedliche Verbraucher angeschlossenen werden. Je nach Ladezustand des Akkus nahm dabei die zur Verfügung stehende Spannung ab. Akku im Betrieb, angelegte Spannung, bereitgestellte Spannung unter Last

6 Verbesserung der Kapazität des Akkumulators durch Vergrößerung der Elektrodenoberfläche: Entladungsexperimente mit dem Lithiumionenakkus: Betrieb eines PC - Lüfters mit dem Akku drei in Reihe geschaltete Miniwindräder drehen sich für längere Zeit

7 Verbesserung der Kapazität des Akkumulators durch Vergrößerung der Elektrodenoberfläche: Entladungsexperimente mit dem Lithiumionenakku: Betrieb von roten und weißen Leuchtdioden: Hier konnten beide Diodenarten sowohl einzeln als auch in einer Parallelschaltung in Form einer Lichterkette betrieben werden. Damit die Leuchtdioden lange halten, wurde vor jede Diode ein kleiner Widerstand geschaltet. Alle Dioden sind mithilfe von Lüsterklemmen fixiert worden. In diese Klemmen passen auch die handelsüblichen Sicherheitsschulkabel, sodass eine sichere Verbindung aufgebaut werden konnte.

8 Experimenteller Akku Elektroden aus Kohlenstoff und Messinglot aus dem Baumarkt In diesem Experiment wurde während des Ladevorgangs der Metallstab aus Rolot 602 als Minuspol geschaltet, sodass zu diesem Pol die Lithiumionen wandern. Außerdem wurde die Kohlenstoffelektrode als Pluspol geschaltet, sodass zu dieser Elektrode das Perchlorat wandert. Auflösungserscheinungen der Metallelektrode sollten so nicht zu erwarten sein. Es konnte eines ähnliche Spannung wie mit zwei Kohleelektroden gemessen werden. Gleichzeitig konnte ein silbriger Überzug am Minuspol beim Ladevorgang beobachtet werden, der sich beim Entladen wieder auflöste. Im Ruhezustand liefert die Zelle eine Spannung von 5V und unter Last von etwa 3,4V

9 Die Eigenschaften des Lithiumionenakkus im Vergleich zu Batterien: Im Vergleich zu selbst hergestellten Batterien, wie hier der Zink-Kohle Batterie oder einer Obstbatterie liefert der Lithiumionenakku im Schulversuch eine deutlich höhere Spannung und weist eine deutlich größere Leistung und Energiedichte auf, sodass mit diesem Akku im Gegensatz zu den Batterien zahlreiche Verbraucher betrieben werden können, was mit den selbst gebauten Batterien nur bedingt möglich ist. Auch durch diesen Vergleich wird die Zukunftsfähigkeit dieses Akkusystems deutlich. Obstbatterie Zink-Kohle Batterie