ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht BAMBERG Magnesiumbatterie im Selbstbau Thomas Büttel Samuel Fink Schule: Franz-Ludwig-Gymnasium Franz-Ludwig-Straße 13 96047 Bamberg Jugend forscht 2013
Magnesiumbatterie im Selbstbau von Thomas Büttel und Samuel Fink Kurzfassung: Die Idee zu diesem Projekt kam uns beim Durchblättern einer Beilage von science-shop.de Darin wurde ein Spielzeugauto mit einer sogenannten Salzwasserbatterie angeboten. Dies veranlasste uns im Internet Recherchen durchzuführen. Dabei fanden wir heraus, dass diese Batterie auf Magnesium basiert und im freien Handel nicht erhältlich ist. Offensichtlich ist dieser Batterietyp überhaupt nicht verbreitet. Wir fanden auch Hinweise darauf, dass an Magnesium-Batterien zur Zeit wieder geforscht wird, besonders im Hinblick auf Stromversorgung für Elektroautos. Die Batterie faszinierte uns wegen des einfachen Aufbaus und der ungefährlichen Komponenten. Die Anode besteht aus Magnesiummetall, die Kathode aus Kohlenstoff und der Elektrolyt ist eine mehr oder weniger konzentrierte Salzlösung. In unserem Projekt erforschten wir die Magnesiumzelle näher, mit dem Ziel eine eigene Batterie zu entwickeln.wir verwendeten dazu bereits vorhandene Ausrüstung und leicht zu beschaffende Materialien. Sehr zu Hilfe kam uns der Umstand, dass die Firma Kosmos in ihrem ÖkopowerExperimentierkasten eine Magnesium-Luft-Batterie verwendet. An dieser Batterie nahmen wir verschiedene Messreihen vor, um deren Eigenschaften zu ermitteln. Mit diesen Messwerten als Grundlage führten wir mit unseren eigenen Materialien Tests durch. Die Erkenntnisse daraus haben wir für unseren eigenen Entwurf verwendet und haben zwei mehrzellige Batterien gebaut. Die wesentlichen Erkenntnisse aus den Untersuchungen und den eigenen Batterien sind: 1. Die Kathode ist das wesentliche Bauelement. Die Kathode der Öko-Power-Zelle ist ein industrielles Bauteil, das wir mit unseren Mitteln nicht nachbauen können. Unsere Untersuchungen zeigten den bestimmenden Einfluss der Kathode auf die Batterieeigenschaften. Unsere Kathode ist aufgrund ihres simplen Aufbaus in ihrer Leistungsfähigkeit stark begrenzt. 2. Das Reaktionsprodukt Magnesiumhydroxid muss entfernt werden können. Im Verlaufe der Batterieentladung bildet sich Magnesiumhydroxid, welches im Elektrolyten ausfällt und sich als Schlamm absetzt. Bei längerer Betriebsdauer würde sich die Zelle mit diesem Schlamm zusetzen. 3. Die Untersuchungen haben uns gezeigt, dass die aus diesem System entnehmbare Strommenge relativ gering ist. Es würde sich daher für Notstromversorgung mit geringer Leistungsentnahme eignen. Der Vorteil dabei wäre, die unbegrenzte Lagerfähigkeit im trockenen Zustand und die einfache Möglichkeit, die Batterie durch Ersatz der verbrauchten Magnesium-Anode wieder aufzuladen.
Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung:...2 2.Vorgehensweise...3 2.1 Dokumentation der Chemischen Reaktionen...3 2.2 Festlegung der Projektphasen...3 2.3 Das Testverfahren...4 2.4 Beschreibung der Messanordnung...5 3. Ergebnisse:...6 3.1 Versuche mit der Öko-Power-Zelle (I. Phase):...6 3.1.1 Einfluss der Elektrodenfläche...6 3.1.2 Einfluss der Salzkonzentration des Elektrolyten...7 3.2 Aufbau der Öko-Power-Zelle...7 3.2.1 Die Anode der Öko-Power-Zelle...8 3.2.2 Die Kathode der Öko-Power-Zelle...8 3.3 Auswahl der Materialien für den Prototypen (II. Phase):...9 3.4 Die verschiedenen Kathodenmaterialien und die Ausführung der Kathoden...10 3.5 Versuche mit eigenen Materialien (III. Phase):...11 3.5.1 Versuchsaufbau eigene Materialien...11 3.5.2 Messergebnisse zu den getesteten Kathoden...12 3.6 Der Prototyp (IV. Phase):...13 3.6.1 Aufbau des Prototypen...13 3.6.2 Messungen am Prototypen...13 4. Diskussion:...14 5. Literaturverzeichnis:...15 1
1. Einleitung: Wir stießen - wie bereits in der Kurzfassung beschrieben mittels eines Prospektes auf die besagte Salzwasserbatterie, die dem System der Magnesium-Luft-Batterie entspricht. Sie bietet im Gegensatz zu anderen Primärbatterien gute ökologische Eigenschaften, denn es müssen keine gefährlichen bzw. giftigen Stoffe verwendet werden. Trotzdem sind Magnesium-Luft-Batterien nicht für den Allgemeingebrauch erhältlich. Im Internet fanden sich Artikel über Entwicklungen und Forschungen bezüglich der Einsatzfähigkeit für Elektroautos. Was uns besonders an dieser Batterie interessierte, sind die ungiftigen und ökologisch völlig unbedenklichen Bestandteile, weil nicht nur die Leistung eines Batteriesystems wichtig ist, sondern auch durch die mit der Anwendung verbundenen Umweltbelastungen. Die Ungefährlichkeit der Bestandteile ermöglichte uns die Durchführung unserer Experimente zu Hause. Unser Ziel war es eine eigene, funktionstüchtige Magnesium-Luft-Batterie mit den uns zur Verfügung stehenden Materialien zu bauen. Dabei wollten wir absichtlich auf gefährliche und teure Stoffe verzichten. Für unsere Absichten war der Umstand sehr förderlich, dass der Kosmos-Experimentierkasten Öko-Power zwei Magnesium-Luft-Zellen enthält, auf deren Basis wir unsere ersten Erkenntnisse gewinnen wollten. Diese Zellen waren besser für unsere Versuche geeignet als die oben angesprochenen Salzwasserbatterien in den Spielzeugautos. Abbildung 1, Original: Die Batteriezellen aus dem Öko-Power Experimentierkasten Für die Durchführung der Experimente sollten vorhandene Messgeräte und Ausrüstungsgegenstände benutzt werden. Für die Eigenentwicklung wollten wir folgende Aspekte dieser Batterie an den Ökopowerzellen untersuchen: Welche Leistung hat die Batterie? Spielt die Konzentration des Elektrolyten eine Rolle? Wie hoch ist der Einfluss der Elektrodenfläche, insbesondere die Fläche der Kathode, auf die Leistung der Zelle? Die gewonnen Daten sollten uns als Grundlage für Tests an eigenen Materialien vor der Konstruktion der eigenen Zelle dienen. Als eigene Materialien kommen nur leicht beschaffbare, kostengünstige Stoffe in Frage. Bei diesen Tests wollten wir klären, welche Kathode sich am besten eignet. 2
2.Vorgehensweise 2.1 Dokumentation der Chemischen Reaktionen Die Magnesium-Luft-Batterie besteht aus einer Anode aus Magnesium und einer Kathode aus Kohlenstoff. Als Elektrolyt diente eine gesättigte Meersalzlösung. Die Formel für die Reaktion, die den Stromfluss ermöglicht, lautet: Anodenreaktion (Oxidation): 2Mg + 4OH- 2Mg(OH)2 + 4eKathodenreaktion (Reduktion): O2 + 4e-+ 2H2O 4OHAllgemeine Reaktion: 2Mg + 2H2O + O2 2Mg(OH)2 Bei einem Sauerstoffmangel findet zusätzlich noch diese Reaktion statt: Parasitäre Reaktion: Mg + 2H2O Mg(OH)2 + H2 Es entsteht bei dieser Reaktion ein Abfallstoff, nämlich das ebenfalls ungiftige Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2) und in der parasitären Reaktion auch Wasserstoff. 2.2 Festlegung der Projektphasen Wie in der Einleitung beschrieben, erwarben wir den Experimentierkasten Öko-Power, die darin enthaltenen Magnesium-Luft-Zellen bildeten die Grundlage für unsere ersten Versuche und für das notwendige Kennenlernen des Batteriesystems. Insgesamt gliedert sich das Projekt in vier Phasen: I. Tests mit den Öko-Power-Zellen. II. Auswahl der Materialien für den Prototypen. III. Versuche mit eigenen Materialien. IV. Entwurf und Bau des Prototypen. Derzeitig sind die ersten drei Phasen abgeschlossen. Die 4. Phase befindet sich in Bearbeitung. Bevor wir mit den Tests beginnen konnten, führten wir diverse Vorversuche mit den Öko-PowerZellen durch. Durch Messung der Leerlaufspannung untersuchten wir verschiedene Ausgangsstoffe für den Elektrolyten. Wir entschieden uns für Meersalz, da dieses keine Zusatzstoffe wie das gewöhnliche Speisesalz enthält und somit eine klare Lösung ergibt. Es gab keine wesentlichen Unterschiede bei den verschiedenen Salzarten, nämlich reines Natriumchlorid, Speisesalz und Meersalz. Desweiteren ermittelten wir durch die Messung des Spannungsabfalls an regelbaren Drahtwiderständen die für das festzulegende Testverfahren nötigen Widerstandswerte. Die Widerstandswerte wählten wir so aus, dass wir mit einer Belastungsstufe etwa 1 V Zellenspannung erreichen und bei der nächsten Belastungsstufe etwa 100 ma Maximalstrom entnehmen konnten. Dabei stellten sich Werte von 15 und 7,5 Ohm als zutreffend heraus. 3
2.3 Das Testverfahren Wir legten unser Testverfahren folgendermaßen fest. An der Zelle wird die Spannung jeweils 60 Sekunden ohne Belastung, anschließend 60 Sekunden mit 15 Ohm Belastung und daraufhin 60 Sekunden unter 7,5 Ohm Belastung gemessen. Dieser Vorgang wird anschließend direkt im Anschluss noch zweimal wiederholt, so dass sich ein Gesamtmesszyklus von 600 Sekunden ergibt. Die Spannungswerte werden mittels eines Computerprogramms einmal pro Sekunde aufgezeichnet und in Kurvenform dargestellt.dieses Verfahren lieferte uns genügend Informationen, um später unsere eigenen Materialien zu testen. Dieses Messverfahren bildete für uns einen Kompromiss zwischen Messdauer und möglichen Informationsgewinn. Die Gesamtmessdauer war lang genug, um einen Trend bei den Spannungswerten erkennen zu können und lag noch im manuell durchführbaren Zeitrahmen. Die drei Zyklen lieferten Aufschluss zum einen über die Wiederholbarkeit der Messungen, zum anderen konnte der Spannungsverlauf bei den dazwischen stattfindenden Erholungsphasen Informationen über die Abläufe der Zellreaktion geben. Die zweistufige Belastung mit Festwiderständen war ursprünglich zur Berechnung des Innenwiderstandes gedacht. Deswegen zeichneten wir außerdem noch den Strom während der Belastung parallel zur Spannung auf. Die Größe des Innenwiderstandes stellte sich aber als ein nicht aussagekräftiges Ergebnis heraus. Die Berechnung des Innenwiderstandes sollte nach folgender Formel erfolgen: Abbildung 2Quelle: http://batteryuniversity.com/parttwo-41-german.htm Bei einigen Versuchen stellte sich heraus, dass sich die Zelle bereits mit der ersten Belastungsstufe im Kurzschlussbereich befand und dadurch bei der zweiten Belastungsstufe kein nennenswerter Spannungsabfall stattfand. Eine Berechnung nach obiger Formel würde deshalb einen illusorischen Innenwiderstand ergeben. Um bei einem Messverfahren bleiben zu können, verzichteten wir auf die Innenwiderstandsberechnung völlig. Anstatt dessen verglichen wir durch Übereinanderlegen der Kurven die Spannungswerte und deren Verlauf miteinander und zogen daraus unsere Schlussfolgerungen. 4
2.4 Beschreibung der Messanordnung Für die Strom- und Spannungsmessung verwendeten wir zwei Digitalmultimeter. Diese Messgeräte waren mit dem Laptop über eine USB und eine serielle Schnittstelle verbunden. Mit dem Programm Real View 3.0 (Abacomsoftware) wurden die Messwerte einmal pro Sekunde erfasst. Bei den Multimetern handelte es sich um VC820/VC830 von Conrad. Für die Spannungsmessung wurde in der Grundeinheit Volt gemessen, der Strom in der Einheit Ampere. Über eine selbstgebaute Umschaltbox wurden zwei Drahtwiderstände, die auf 15 und 7,5 Ohm eingestellt waren, abwechselnd auf die Batterieelektroden aufgeschaltet. Abbildung 3, Original: Die komplette Messanordnung Die Verkabelung erfolgte über 4 mm Labormessleitungen. Diese Messanordnung wurde für alle Versuche beibehalten. Abbildung 4, Original: Schaltplan für den relevanten Messvorgang 5
3. Ergebnisse: 3.1 Versuche mit der Öko-Power-Zelle (I. Phase): 3.1.1 Einfluss der Elektrodenfläche Unsere erste Versuchsreihe sollte klären, wie sich die Größe der vom Elektrolyten benetzten Elektrodenfläche auf die Zellleistung auswirkt. Für uns maßgebend war die Kathodenfläche. Dazu gaben wir über die Füllhöhe der Zelle die Benetzungsfläche vor. Dabei ergab sich folgende Messergebnisse: Benetzungsfläche Öko-Power-Zelle 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 V 2 cm² 5 cm² 9 cm² 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 Messzeit (s) Aus dem Messverlauf entnahmen wir folgende Informationen: Die Leistung der Zelle war direkt abhängig von der benetzten Fläche, wobei kein linearer Zusammenhang zu erkennen war. Jedoch war klar, dass wir für unsere Eigenkonstruktion mit der Elektrodenoberfläche nicht unter 9 cm² pro Element kommen sollten, um einen brauchbaren Strom entnehmen zu können. 6
3.1.2 Einfluss der Salzkonzentration des Elektrolyten In unserer nächsten Versuchsreihe untersuchten wir den Einfluss der Salzkonzentration im Elektrolyten auf die Zellleistung. Dazu stellten wir Meersalzlösung mit 4, 12 und 36 Gramm pro 100ml her und führten die Messungen mit aufsteigender Salzkonzentration durch. Meersalzkonzentration im Elektrolyten Öko-Power-Zelle 1,800 1,600 1,400 4 g / 100 ml 1,200 12 g / 100 ml 1,000 36 g / 100 ml V 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 0 100 200 300 400 500 600 700 Messzeit (s) Aus der Graphik entnahmen wir, dass die höchste Konzentration der Meersalzlösung(36g/100 ml das entspricht einer gesättigten Lösung) die größte Stromentnahme ermöglichte. Bei den nächsten Versuchsreihen setzten wir diese Meersalzlösung als Elektrolyt ein. 3.2 Aufbau der Öko-Power-Zelle Abbildung 5, Original: Die ÖkopowerZelle mit eingesetztem Anodenblech Um für den eigenen Prototypen Informationen zu gewinnen, untersuchten wir den Aufbau der ÖkoPower-Zelle genauer. Die Zelle ist als Trog ausgeführt. Den hinteren Teil bildet die Kathodenkonstruktion mit der luftdurchlässigen Rückseite. Im vorderen Teil wird über einen Halter die Magnesiumanode eingeschoben. Der Abstand zur Kathode beträgt etwa 3 mm. Das Volumen für den Elektrolyten bis zur obersten Markierung beträgt ca. 10 ml. 7
3.2.1 Die Anode der Öko-Power-Zelle Die Anode besteht aus einem Magnesiumblech (wahrscheinlich eine Legierung) von ca. 0,6 mm Stärke mit den Abmessungen 3 x 4 cm. Da der Elektrolyt die Anode komplett umspült, ergibt sich eine wirksame Fläche von ca. 18 cm² 3.2.2 Die Kathode der Öko-Power-Zelle Die Kathode ist wesentlich komplexer aufgebaut als die Anode. Für genauere Untersuchungen mussten wir die Kathode auf sägen und damit die Zelle zerstören. In der Kathode befinden sich mehrere Schichten an Material. In Richtung Elektrolytflüssigkeit befindet sich ein feines Gewebe, dahinter eine Kohlenstofffolie, die auf der hinteren Seite mit einem luftdurchlässigen Gewebe beschichtet ist. Abbildung 6, Original: Kathode geöffnet Abbildung 7, Original: Mikroskopaufnahme der Kohlefolie Unter dem Mikroskop studierten wir den Aufbau der Kohlenstofffolie genauer, wobei wir feststellten, dass in der Kohlenstoffschicht sich außerdem noch eine metallische, schwammartige, hellglänzende Metallschicht befindet. An dieser Metallschicht befindet sich auch die elektrische Ableitung der Kathode. Das Kohlenstoffmaterial ist sehr porös. Beides zusammen ist auf das hintere, luftdurchlässige, aber wasserabstoßende Gewebe aufgebracht. Diese Beobachtung führte bei uns zu einer gewissen Ernüchterung, da wir die komplexe Struktur nicht mit einfachen Mitteln hätten nachbauen können. Wesentlich für uns war, dass das poröse Material der Kathode eine möglichst große Oberfläche besitzt, damit genügend Sauerstoff in die Zelle gelangt. Bei dem schwammartigen Metall handelt es sich wahrscheinlich um Nickelschaum. Zum einen ist das Metall ferromagnetisch und zum andern glänzt es sehr stark. Damit ist es sehr wahrscheinlich, dass es sich um Nickel handelt. Wir halten es für möglich, dass in diesem Fall Nickel auch als Katalysator fungiert. Eine gezielte Internetrecherche zu Nickelschaum hat unsere Vermutung bestätigt. Dieses Material wird speziell auch für Batterieelektroden angeboten. Für uns allerdings unerreichbar, da wir keinen Händler für Kleinmengen finden konnten. Zudem wird das Material von den Anbietern als giftig klassifiziert. Abbildung 8: Nickelschaum Quelle :http://ecocatalysis.com/en/products/foam-materials-foam-metals/nickel-foam-en.html 8
3.3 Auswahl der Materialien für den Prototypen (II. Phase): Wir brauchten folgende Materialien: Magnesium für die Anode und ein geeignetes Kathodenmaterial aus Kohlenstoff. Am leichtesten zu beschaffen war das Magnesium. Wir konnten kein Magnesiumblech wie in der Öko-Power-Zelle in den von uns benötigten Kleinmengen erhalten. Dagegen war Stangenmaterial mit 25 mm Durchmesser leicht erhältlich. Bei den Stangen handelte es sich aber lediglich um eine Magnesium-Legierung, die in Warmwasserboilern als Opferanode verwendet wird. Durch einen kurzen Test der Leerlaufspannung gegen die Öko-PowerKathode konnten wir die Eignung prüfen. Aufgrund der Form dieses Materials waren wir gezwungen scheibenförmige Abschnitte als Anoden zu verwenden. Wesentlich schwieriger stellte sich dabei das Beschaffen eines geeigneten Kathodenmaterials heraus. Uns standen folgende Materialien zur Verfügung: Graphitstäbe für Elektrolyse aus dem Schulbereich, einen Holzkohleblock für Lötarbeiten im Goldschmiedebedarf, Aktivkohle aus einem Gasmaskenfilter, Kohlenstofffasern und Kohlenstoffvlies aus dem Modellbaubedarf. Für die Verwendung des Holzkohleblocks war die Annahme maßgebend, dass ausgehend vom natürlichen Material eine ausreichende Porösität für den Sauerstofftransport vorhanden sei. Die Leitfähigkeit prüften wir mit einem Multimeter mittels Widerstandsmessung. Die Porösität und die Leitfähigkeit der Aktivkohle sind bekannt. Bei den Kohlenstofffasern und dem Kohlenstoffvlies ist ebenfalls genügend Leitfähigkeit vorhanden. Beide Materialien werden ähnlich hergestellt wie künstliche Kohleelektroden. Magnesiumanoden-Material Abbildung 10, Original: Magnesiumrundstange, gekauft bei Ebay Abbildung 9, Original: Magnesiumanode aus dem Stangenmaterial. Abschnitt ca. 4mm Höhe mit Messingstange Zwecks Halterung und Kontakt 9
3.4 Die verschiedenen Kathodenmaterialien und die Ausführung der Kathoden Graphitstäbe für Elektrolyse 1 Holzkohle Von dem Original Holzkohleblock wurde eine ca. 5 mm dicke Scheibe abgeschnitten und auf eine Lochplatine aufgeklebt. Die elektrische Verbindung erfolgt durch die Kupferschicht der Platine. Aktivkohle Die Aktivkohle befindet sich in der Vliesummantelung. Mehrere Bleistiftmienen (3,15 mm) dienen zur Herstellung des elektrischen Kontaktes. Kohlevlies Das Kohlevlies ist auf einem saugfähigem, nicht-leitenden Vlies aufgewickelt. Im Zentrum befindet sich der Magnesiumstab. Eisendraht diente zur Stromableitung der Kathode. Kohlefasern Die Kohlefasern sind auf einem saugfähigem, nicht-leitenden Vlies aufgewickelt. Im Zentrum befindet sich der Magnesiumstab. Die Stromableitung erfolgte direkt an der Kohlefaser. 2 3 4 5 10
3.5 Versuche mit eigenen Materialien (III. Phase): 3.5.1 Versuchsaufbau eigene Materialien In einem Becherglas wurden über eine geeignete Halterung Kathode und Anode in einem fixen Abstand in den Elektrolyten eingetaucht. Der Abstand zwischen Anode und Kathode betrug 3 mm. Die benetzte Anodenfläche ergab sich bedingt durch die Ausführung als Metallscheibe zu 12 cm². Um vergleichbare Werte mit der Öko-Power-Zelle zu erhalten, haben wir die Eintauchtiefe bei unseren Kathoden so angepasst, dass wir möglichst nahe an die Fläche der Öko-Power-Kathode von ca. 9 cm² aus den vorhergehenden Versuchen herangekommen sind. Für die Aktivkohleausführung formten wir aus nicht-leitendem Vliesmaterial einen rechteckigen Beutel, in dessen Inneren sich die Aktivkohle zusammen mit mehreren Bleistiftmienen als elektrische Ableiter befand. Für die Tests mit Kohlenstofffasern und -vlies wählten wir einen anderen Aufbau: Durch Verwenden eines nicht leitfähigen Vliesmaterials wurde die Magnesiumstange (Anode) mit dem entsprechenden Kathodenmaterial in mehreren Lagen umwickelt. Über die Wickelhöhe haben wir auch hier die Fläche der Kathode angepasst. Versuchsaufbau für die Tests mit den Kathoden 1-3 Abbildung 11, Original: Tests im Becherglas Versuchsaufbau für die Tests mit den Kathoden 4-5 Abbildung 12, Original: Aufbau als Wickel-Kathode 11
3.5.2 Messergebnisse zu den getesteten Kathoden Test mit eigenem Material Test der unterschiedlichen Kathodenmaterialien V 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kohlefaser Kohlevlies Holzkohle Aktivkohle Graphit 0 100 200 300 400 500 600 700 Messzeit (s) Aus der Graphik erfuhren wir, dass die Aktivkohle und die Holzkohle am besten von den eigenen, getesteten Kathodenmaterialien abgeschnitten hatten. Unsere weiteren Versuche werden darauf abzielen eine Kathode auf Basis der Aktivkohle so weit zu verbessern, um sie für einen eigenen Batterieprototypen verwenden zu können. Vergleich Öko-Power mit Aktivkohlekathode und Holzkohle 1,8 1,6 V 1,4 Öko-Pow er 1,2 Holzkohle 1 Aktivkohle 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 100 200 300 400 Messzeit (s) 12 500 600 700
3.6 Der Prototyp (IV. Phase): 3.6.1 Aufbau des Prototypen Wir haben für den Prototypen die Aktivkohle als Kathode und eine Magnesiumscheibe als Anode verwendet. Unser Prototyp besteht aus einem Acrylglasbottich, wobei einzelne Zellen von einander abgetrennt sind. In jeder davon befindet sich jeweils eine Anode und Kathode. Dabei haben wir bei der Kathode eine Leiterplatine mit den Graphitstäben mittels Silberleitlack verbunden und als elektrische Ableiter verwendet. Das Anodendesign hat sich gegenüber der dritten Phase nicht geändert. Bei dieser Konstruktion soll der Sauerstoff aus dem oberen Teil des Batterieraumes hinzutreten. Wir haben zwei Prototypen gebaut: Der eine weist drei in Reihe geschaltete Zellen auf, der andere sieben in Reihe geschaltete Zellen. Der 3-Zellige-Prototyp ist durchaus in der Lage eine LED-Lampe zu betreiben. 3.6.2 Messungen am Prototypen Um die Funktionsfähigkeit des Prototypen zu prüfen, haben wir den Spannungsverlauf unter Belastung mit konstanter Stromentnahme durchgeführt. Wir haben zwei Belastungstests durchgeführt: Die Batterie wurde mit 50 ma und mit 100 ma Konstantstrom 20 Minuten lang belastet. Die Belastung erfolgte mit Hilfe einer elektronischen Last (ELV-Bausatz, ELV Journal 3/93). Auf die Messung des Innenwiderstandes haben wir auch hier verzichtet, da nach unserer Ansicht das wesentliche Bauelement, unsere Kathode, noch stark verbessert werden müsste. Spannungsverlauf 3-Zelliger Prototyp Belastung bei Konstantstrom 5 4 3 V2 1 0 0 10 50 ma Zeit in Minuten 20 Abbildung 13: 3-Zelliger-Prototyp, Original 100 ma 13
4. Diskussion: Bei diesem Batteriesystem ist die Kathode das bestimmende Element. Die Kathode muss genügend Sauerstoff aus der Atmosphäre für die Reaktion in der Batterie zur Verfügung stellen. Hierbei kommt der Grenzfläche zwischen Umgebungsluft und dem flüssigen Elektrolyten die entscheidende Funktion zu. Die Aktivkohle bietet hierbei genügend spezifische Oberfläche, um den Übertritt des Sauerstoffs in den Elektrolyten zu ermöglichen. In der industriell hergestellte Öko-Power-Kathode könnte Nickel eine katalytische Wirkung besitzen, wodurch der Vorgang positiv beeinflusst wird. Diesen Vorteil können wir nicht auf unseren Prototypen übertragen, da wir keinen Zugang zu solchen Materialien haben. Außerdem sind die meisten Nickelverbindung giftig und kommen so für unsere Experimente nicht in Frage. Eine zusätzliche Schwierigkeit für uns liegt darin die Grenzfläche der Kathode so zu gestalten, dass zwar Sauerstoff von der Aktivkohle aufgenommen werden kann, aber kein Elektrolyt austritt. Bei industriellen Produkten erreicht man das mit speziellen Materialien, die gasdurchlässig sind und gleichzeitig für Wasser eine Sperrschicht darstellen. Für den Eigenbau sind diese Materialien allerdings zu teuer und schwer zu beschaffen. Die Messungen am Prototypen bestätigen unsere Vermutungen. Unsere selbstgebaute Kathode saugt sich nach einiger Zeit mit Elektrolyt voll und bietet nicht genügend aktive Fläche für den Sauerstofftransport an. Je höher die Stromentnahme ist, desto mehr kommt die unerwünschte Nebenreaktion zum Tragen und es sinkt die Zellenspannung, während die Wasserstoffentwicklung zunimmt. Jedoch zeigt sich am Prototypen die Funktionsfähigkeit des Batteriesystems deutlich. Es hat sich erwiesen, dass der Prototyp nach Entnahme des Elektrolyten und folgender Austrocknung durch Zufügen des Elektrolyten wieder einsatzfähig ist. Die Leistung der Batterie ist von der Fläche der Elektroden abhängig. Diese Batterie bietet sich an für Anwendungen mit relativ geringer Stromentnahme und freiem Luftzugang. Die Leistung kann man durch die Flächen der Elektroden vergrößern. Ein Wiederaufladen ist durch den Austausch der Magnesium-Anode leicht möglich. Den Hauptvorteil der Batterie sehen wir darin, dass die Abfallprodukte ungiftig sind und das Magnesium auf der Erde in hohem Maße verfügbar ist. Zudem sind die Lagermöglichkeiten der Batterie im trockenen Zustand nahezu unbegrenzt. Es fallen also keine abgelaufenen selbst entladenen Batterien an, die entsorgt werden müssten. Wir können uns vorstellen, dass durch verbesserte Kathodenausführung dieser Batterietyp in Zukunft Anwendungen findet und verkauft werden könnte. 14
5. Literaturverzeichnis: http://www.borderlands.de/net_pdf/net0711s29-31.pdf http://www.chem.uni-potsdam.de/atb/bilderaktuell/mg.pdf http://www.rsc.org/chemistryworld/news/2011/august/10081101.asp http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0209161.htm http://www.gsg-physik.net/physik/zellen/d_kap3.htm http://www.electric-vehiclenews.com/2013/01/kist-develop-magnesium-air-battery-with.html http://www.patent-de.com/19990325/de19522226c2.html Alle Quellen vom 23.01.13 15