1 Was ist der Unterschied zwischen einer Zelle und einer Batterie?

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1 Fragenkatalog VO-AEC WS2016/17 Teil B: Energiespeicherung B1: Batterien 1 Was ist der Unterschied zwischen einer Zelle und einer Batterie? 2 Nennen Sie typische primäre und typische sekundäre Batterien (je mindestens 6) mit Anoden- und Kathodenmaterial, sowie Elektrolyt. 3 Was sind mechanisch wiederaufladbare Batterien? 4 Was sind die elektrochemischen Definitionen der Begriffe Anode und Kathode? Welche Elektrode (positive oder negative?) ist die Anode (gemäß der elektrochemischen Definition) und welche die Kathode: (a) während des Ladens und (b) während des Entladens? 5 Was können Sie unternehmen, um eine Batteriezelle in Richung (a) hoher Leistungsdichte oder (b) hoher Energiedichte zu optimieren? 6 Welche grundsätzlichen Typen von Elektroden werden in Batterien eingesetzt? Was sind deren Vor- und Nachteile? Bitte geben Sie mindestens ein konkretes Anwendungsbeispiel / Batteriesystem für jeden Elektrodentyp an. 7 Wie unterscheiden sich Insertions- und Konversionselektroden? Was sind deren Vorund Nachteile? 8 Welche grundsätzlichen Bauarten von Batteriezellen bzw. Batterien sind Ihnen bekannt? Was sind deren Vor- und Nachteile? Geben Sie mindestens ein konkretes Anwendungsbeispiel / Batteriesystem für jede Bauart an. 9 Standardisierung von Batteriezellen: (a) Welches Volumen besitzen 18650er Lithium-Ionen-Zellen? (b) Welches Volumen besitzen 2032er Knopfzellen? 10 Gegeben ist eine Batteriezelle mit einer (nominellen) Kapazität von 20Ah. Welchen Strom müssen Sie anlegen, wenn Sie die Zelle mit (a) 1C, (b) C/5 oder (c) 3C laden oder entladen möchten? 11 Berechnen Sie die Standardzellspannung und die theoretischen spezifischen Energien (bezogen auf die Masse der Aktivmaterialien) der folgenden Zellen: (a) Li/F 2 (b) H 2 /O 2 (im sauren Elektrolyten) (c) Zn/Br 2 [Hilfsmittel: Elektrochemische Spannungsreihe und Periodensystem mit Molmassen der Elemente]

2 Fragenkatalog VO-AEC WS2015/16 Teil B: Energiespeicherung Seite 2 von 7 12 Zeichnen Sie im untenstehenden Diagramm die typischen Lade/Entladekurven (Zellspannung vs. Kapazität bzw. Ladezustand) ein für: (a) Elektrochemischer Doppelschichtkondensator mit organischem Elektrolyten (b) Lithium-Ionen-Batterie (c) Bleibatterie (d) Ni-MH-Batterie Achten Sie bitte auf die ungefähren Zellspannungen und Spannungsverläufe! 5 4 Zellspannung / V Ladezustand / % 13 Was ist ein Ragone-Diagramm? 14 Zeichnen Sie ein Ragone-Diagramm und geben Sie darin die typischen Bereiche für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, Bleibatterien, Ni-Cd-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien an. 15 Welches sind die drei wichtigen Zn-MnO 2 -Batteriesysteme? Was sind ihre Gemeinsamkeiten und Unterschiede (Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, typische vereinfachte Entladereaktionen)? 16 Wie funktionieren Zn-Luft-Zellen (Elektrodenmaterialien, Elektrolyt, Entladereaktion)? Beschreiben Sie den Aufbau mindestens einer typischen Bauform. Wofür werden Zn-Luft-Zellen typischerweise eingesetzt? 17 Bleibatterie: (a) Nennen Sie die Lade/Entladereaktionen für die negative und positive Elektrode, sowie für die Gesamtzelle (geben Sie dabei die Lade- und Entladerichtungen an). (b) Leiten Sie die Nernst-Gleichung für die Zellspannung aus den entsprechenden Ausdrücken für die einzelnen Elektrodenreaktionen ab. (c) Leiten Sie die Nernst-Gleichung für die Zellspannung aus dem Reaktionsquotienten der Zellreaktion ab. (d) Berechnen Sie die Standard-Elektrodenpotentiale für die Anoden- und Kathodenreaktion aus den entsprechenden thermodynamischen Daten. (Für PbO 2 verwenden Sie bitte die Werte für die β-modifikation). [Hilfsmittel: Tabelle mit ΔG-Werten] 18 Was sind die drei wichtigsten Nebenreaktionen in Bleibatterien?

3 Fragenkatalog VO-AEC WS2015/16 Teil B: Energiespeicherung Seite 3 von 7 19 Wie funktioniert der Sauerstoff-Rekombinationszyklus in Bleibatterien? 20 Was ist Sulfatierung? In welchem Batteriesystem und bei welchen Bedingungen tritt Sulfatierung auf? 21 Wie unterscheiden sich geschlossene und verschlossene Bleibatterien? Wie werden verschlossene Bleibatterien üblicherweise im Englischen bezeichnet? 22 Welche Möglichkeiten werden verwendet, um den H 2 SO 4 -Elektrolyten in Bleibatterien festzulegen bzw. zu immobilisieren? 23 Was sind die Lade/Entlade-Reaktionen für die einzelnen Elektroden und für die gesamte Zelle für Ni-MH-Batterien? 24 Was sind die Lade/Entlade-Reationen für die einzelnen Elektroden und für die gesamte Zelle für Ni-Cd-Batterien? 25 Ni-MH können mit einem chemischen Überlade- und Überentladeschutz ausgerüstet werden. Was muss man dazu tun? Was passiert im Fall von Überladung und Überentladung in Zellen ohne Überlade- und Überentladeschutz? Was passiert in Zellen mit Überlade- bzw. Überentladeschutz? 26 Beschreiben Sie den klassischen Memory-Effekt. In welchem Batteriesystem kann er auftreten? 27 Was ist der Lazy-Battery-Effekt? In welchen Batteriesystemen kann er auftreten? Was passiert dabei auf der Ebene der Elektrodenmaterialien? Was können Sie unternehmen, um den Effekt rückgängig zu machen? 28 Beschreiben Sie das Arbeitsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie an zwei ausgewählten Elektrodenmaterialien (z.b. Grafit und LiCoO 2 ). Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen und die Zellreaktion. 29 Es gibt nicht die eine Lithium-Ionen-Batterie vielmehr können verschiedene Anoden- und Kathodenmaterialien verwendet und untereinander kombiniert werden. Nennen Sie mindestens 3 wichtige Anodenmaterialien und mindestens 5 wichtige Kathodenmaterialien, die heute kommerziell eingesetzt werden (ohne Lade/Entlade- Reaktionsgleichung). 30 Die bisher kommerzialisierten Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien lassen sich drei unterschiedlichen Strukturtypen zuordnen. Welche Strukturtypen sind das, und wie sind diese prinzipiell aufgebaut? 31 Berechnen Sie die theoretischen (oder praktischen) spezifischen Kapazitäten (bezogen auf die Masse des entladenen Zustands) der folgenden Elektrodenmaterialien: (a) C 6 (vollständige Ladung zu LiC 6 ) (b) Si (vollständige Ladung zu Li 15 Si 4 ) (c) Li 4 Ti 5 O 12 (vollständige Ladung zu Li 7 Ti 5 O 12 ) (d) LiFePO 4 (vollständige Ladung zu FePO 4 ) (e) LiCoO 2 (vollständige Ladung zu Li 0.4 CoO 2 )

4 Fragenkatalog VO-AEC WS2015/16 Teil B: Energiespeicherung Seite 4 von 7 (f) LiMn 2 O 4 (vollständige Ladung zu Mn 2 O 4 ) [Hilfsmittel: Periodensystem mit Molmassen der Elemente] 32 Um wieviel % steigt die spezifische Kapazität einer Grafit-Anode, wenn Sie dieser (a) 1 Gew.%, (b) 3 Gew.% oder (c) 10 Gew.% Si zusetzen? (Nehmen Sie für Grafit einen maximalen Ladungsgrad von LiC 6 und für Si einen von Li 15 Si 4 an). [Hilfsmittel: Periodensystem mit Molmassen der Elemente] 33 Elektrodenbalancierung: Die Kapazität der Vollzelle ist durch die relativen Anteile von reversibler und irreversibler Kapazität der Anode und der Kathode bestimmt. In Li-Ionen-Zellen mit Grafit-Anoden ist aus Sicherheitsgründen die Anode überdimensioniert (d.h. die reversible Kapazität der Anode ist größer als jene der Kathode), um eine Überladung mit der sicherheitskritischen Abscheidung von Lithium-Metall auf der Anode zu vermeiden. (Reversible Kapazität = Entladekapazität, irreversible Kapazität = Lade- minus Entladekapazität). (a) Berechnen Sie die reversible Kapazität einer Grafit/LiFePO 4 -Zelle, in der die Grafitanode eine reversible Kapazität von 140 mah besitzt und eine irreversible Kapazität im ersten Zyklus von 10 mah, und eine LiFePO 4 -Kathode, die eine reversible Kapazität von 120 mah besitzt und keine irreversible Kapazität aufweist. (b) Wie würde die Kapazität der Zelle aussehen, wenn Sie die irreversible Kapazität der Grafitanode auf 5 mah senken könnten, und alle anderen Werte gleich blieben? (c) Wie würde die Kapazität der Zelle aussehen, wenn Sie die Menge Anodenmaterial verdoppelten (basierend auf den Werten aus (a))? [Lösungen: (a) 110 mah, (b) 115 mah, (c) 100 mah] 34 Auf Grafit-Anoden (und vielen anderen Anoden) in Lithium-Ionen-Batterien bildet sich während des erstmaligen Ladens eine Deckschicht aus. (a) Wie wird diese üblicherweise bezeichnet, und wie wird sie abgekürzt? (b) Was sind die Eigenschaften dieser Deckschicht? (c) Wie ist sie in einfacher Näherung aufgebaut? (d) Welche Vor- und Nachteile bringt sie für die Li-Ionen-Zelle? 35 Welches ist das wichtigste Elektrolytsalz in Lithium-Ionen-Batterien? Welche sind die typischen Elektrolytlösungsmittel bzw. -lösungsmittelmischungen? 36 (a) Wozu dienen Elektrolytadditve in Lithium-Ionen-Batterien? (b) Welche unterschiedlichen Typen von Elektrolyten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 6 Typen. 37 Beschreiben Sie die Funktionsweise der Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Geben Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtzellreaktion an. Was ist ein typisches Anwendungsfeld für dieses Batteriesystem? 38 Beschreiben Sie die Funktionsweise der Hochtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterie. Geben Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtzellreaktion an. 39 Beschreiben Sie die Funktionsweise der ZEBRA-Batterie: Geben Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtzellreaktion an. 40 Beschreiben Sie die Raumtemperatur-Lithium-Schwefel-Batterie. Geben Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtzellreaktion an. Was sind die

5 Fragenkatalog VO-AEC WS2015/16 Teil B: Energiespeicherung Seite 5 von 7 Herausforderungen, um dieses System fit für die kommerzielle Anwendung zu bekommen? 41 Beschreiben Sie die Raumtemperatur-Lithium-Luft-Batterie (mit flüssigem organischen Elektrolyten). Was sind die Elektrodenreaktionen und die Gesamtzellreaktion? Was sind die Herausforderungen, um dieses System fit für die kommerzielle Anwendung zu bekommen? B2: Kondensatoren 1 Wie sind folgende Größen des Kondensators definiert: Kapazität als Funktion der Ladung Kapazität als Funktion von Plattenfläche und -abstand Energie als Funktion der Kapazität Leistung als Funktion des Innenwiderstands Bitte führen Sie die entsprechenden Gleichungen an, und vergessen Sie nicht die verwendeten Symbole zu definieren. 2 Wie unterscheiden sich Elektrolytkondensatoren und elektrochemische Doppelschichtkondensatoren im prinzipiellen Aufbau, in der Energiedichte und in der typischen Zeitdomäne für den Lade/Entladevorgang? 3 Wofür steht die Abkürzung EDLC? 4 Erklären Sie den Ladungsspeichermechanismus von EDLCs. 5 Wie unterscheiden sich EDLCs und LIBs in Hinblick auf: den Ladungsspeichermechanismus die Zyklenstabilität die Strombelastbarkeit / Leistung Energiedichten typische maximale Spannungen die typische Lade/Entlade-Kurven (Spannung gg. Ladung oder Zeit) 6 In welchem Zusammenhang stehen für einen idealen EDLC mit symmetrischen Elektroden die Größen: Zellkapazität Elektrodenkapazität spezifische Zellkapazität und spezifische Elektrodenkapazität? Bitte führen Sie die entsprechenden Gleichungen an, und vergessen Sie nicht die verwendeten Symbole zu definieren. Für die spezifischen Werte reicht es, die Masse des Aktivmaterials zu berücksichtigen (ohne Inaktivkomponenten). 7 Wieviel der in einem idealen EDLC gespeicherten Energie können Sie theoretisch entladen, wenn Sie die Entladeschluss-Spannung auf die Hälfte der Maximalspannung begrenzen? 8 Was sind typische wässrige und organische Elektrolyte für EDLCs. Was sind die Vor-

6 Fragenkatalog VO-AEC WS2015/16 Teil B: Energiespeicherung Seite 6 von 7 und Nachteile der verschiedenen Elektrolyte? 9 Das Elektrodenmaterial der Wahl für EDLCs ist poröser Kohlenstoff. Was sind die Eigenschaften und Vorteile dieses Materials? 10 Wie sind laut IUPAC Makroporen, Mesoporen, und Mikroporen definiert? 11 Welche Porengrößen von porösen Kohlenstoffen für EDLCs eignen sich besonders für die Energiespeicherung und warum? 12 Wie unterscheiden sich symmetrische und asymmetrische EDLCs? Was ist der Vorteil von asymmetrischen EDLCs? 13 Welche grobe Faustregel gilt für den Zusammenhang zwischen Alterungsrate und Zellspannung und Alterungsrate und Betriebstemperatur eines EDLCs? 14 Wie sind EDLC-LIB-Hybridkondensatoren (bzw. Li-Ionen-Kondensatoren) aufgebaut? Wie verhält es sich mit ihrer Kapazität, Energiedichte und Zyklenstabilität im Vergleich zu reinen EDLCs und reinen LIBs? B3: Brennstoffzellen 1 Welche Brennstoffzellensysteme bezeichnen die Abkürzungen AFC, PEMFC, DMFC, PAFC, MCFC und SOFC? 2 Wie laufen die folgenden grundlegenden Reaktion in Brennstoffzellen (vereinfacht) mechanistisch ab: (a) Wasserstoff-Oxidation (b) Methanol-Oxidation (c) Sauerstoff-Reduktion 3 Beantworten Sie die folgenden Fragen für die Brennstoffzellensysteme (a) AFC, (b) PEMFC, (c) DMFC, (d) PAFC, (e) MCFC und (f) SOFC: Wie lauten die vereinfachten Anoden- und Kathodenreaktionen? Wie lautet die Gesamtzellreaktion? Welche Reaktanden werden an welcher Elektrode verbraucht, und welche Produkte werden an welcher Elektrode gebildet / emittiert? Welche Ionenspezies wird vom Elektrolyten geleitet und was sind typische Elektrolyte? 4 Welche Arten von Protonenaustauschmembranen können in PEM-Brennstoffzellen eingesetzt werden? 5 Was sind typische Alterungserscheinungen, die in PEM-Brennstoffzellen auftreten

7 Fragenkatalog VO-AEC WS2015/16 Teil B: Energiespeicherung Seite 7 von 7 können? 6 Skizzieren Sie die Abfolge der einzelnen funktionellen Lagen / Komponenten in einem bipolaren PEM-Brennstoffzellenstack. 7 Was sind biologische Brennstoffzellen? Wie funktionieren sie? 8 Wie lautet die Nernst-Gleichung für die PEM-Brennstoffzelle? 9 Was sind die vier wichtigsten Ursachen für Spannungsverluste in der PEM- Brennstoffzelle unter Stromfluss? (Eine einfache qualitative Beschreibung reicht aus, Formeln sind nicht notwendig). Wie verhalten sich die oben genannten Spannungsverluste mit zunehmender Stromdichte? (Der tendenzielle qualitative Verlauf ist ausreichend, exakte Werte sind nicht gefragt). 10 Was beschreibt der Begriff Reformierung? Welche grundsätzlichen drei Bauausführungen existieren, um den Reformierschritt und die Brennstoffzelle zu kombinieren? 11 Was ist die Wassergas-Shift-Reaktion? 12 Welche Komponenten können in einem Brennstoffzellensystem abgesehen vom eigentlichen Brennstoffzellenstack vorkommen? Nennen Sie mindestens 8 Komponenten. 13 Was sind typische / mögliche Brennstoffzellenanwendungen?