Akkumulatoren

Vorwort

In dieser Facharbeit möchte ich mich der elektro ­ chemischen Stromerzeugung mit Hilfe

von Akkumulatoren widmen.

Insbesondere werde ich mich dabei mit dem Nickel ­ Eisen Akkumulator beschäftigen.

Experimente hierzu sollen dessen Funktionsweise verdeutlichen. Im zweiten Teil der

Facharbeit, werde ich den Nickel ­ Eisen Akku mit dem Lithium ­ Ionen Akku

vergleichen, um eine Auswahl zwischen diesen beiden verschiedenen Technologien zu

treffen. In Bezug auf den Lithium ­ Ionen Akku werde ich mich nur im theoretischen

Bereich äußern, da an der Schule weder die nötigen Stoffe noch die notwendigen Geräte

vorhanden sind um mit solch einem Akkumulator Experimente durchzuführen.

Da der Nickel ­ Eisen Akku in der Praxis so gut wie keine Bedeutung hat, werde ich mich

im letzten Gebiet, nämlich beim Vergleich mit dem Li ­ Ion Akku, auf den stärker

verbreiteten Nickel ­ Cadmium Akku beziehen. Diesen Akku kann man ohne größere

Bedenken in Bezug auf die Funktionsweise mit dem Nickel ­ Eisen Akku gleichsetzen, da

der einzige Unterschied darin besteht, daß am Minuspol das Eisen durch Cadmium ersetzt

worden ist.

Das Ziel meiner Facharbeit besteht darin, die elektro ­ chemischen Vorgänge innerhalb

eines Akkumulators besser verstehen zu können und die Vor ­ und Nachteile der

jeweiligen Technologien abzuwägen und aufzuzeigen.

1

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1. Allgemeine Informationen zu Akkumulatoren

1.1. Was ist ein Akkumulator?

Nachdem das Thema für meine Facharbeit bekanntgegeben wurde, war die erste Frage, der

ich nachgehen mußte: ,,Was ist überhaupt ein Akkumulator?" Demnach ist es auch die

erste Frage, die ich im Gesamtkonsens dieses Themas beantworten möchte.

Akkumulator (im Sprachgebrauch wird dieser kurz als Akku bezeichnet) bedeutet frei

übersetzt Sammler und besteht aus Zellen, die aufgrund ihrer chemisch ­ physikalischen

Eigenschaften in der Lage sind, elektrische Energie zu sammeln und wieder abzugeben.

Akkumulatoren werden auch als ,,Sekundärzelle" bezeichnet, im Unterschied zur

nichtaufladbaren Batterie, die als ,,Primärzelle" bezeichnet wird. Akkus gibt es in

verschiedenen Größen, wobei diese Größen in Bezug auf die Anzahl der Zellen variieren. ,,

Experten unterscheiden folgende Fachbegriffe: Eine einzelne Zelle ist nach technischer

Definition noch keine Batterie (bzw. Akku). Erst wenn man mehrere Zellen miteinander

verknüpft, erhält man eine Batterie (Akku)" (Informationsheft Varta, Alles über Akkus,

S.5). Für die unterschiedlichen Anwendungen (siehe auch Anwendungsgebiete) werden

diese verknüpften Zellen zu einem Paket zusammengefaßt und in einem gerätespezifischen

Gehäuse untergebracht.

1.2. Aufbau eines Akkumulatoren

Eine Sekundärzelle besteht prinzipiell aus zwei Elektroden, zwischen denen eine

chemische Reaktion stattfindet. Durch diese Reaktion wird elektrische Energie freigesetzt.

Es gibt eine positive und eine negative Elektrode, die je nach Technologie des Akkus

unterschiedliche Materialien enthalten. Die beiden Elektroden werden durch einen

Separator, der z.B. aus einer Art Schaumstoff besteht, gegeneinander isoliert, damit es

nicht zu einem internen Kurzschluß kommen kann, durch den die elektrische Energie in

Form von Wärme einfach verpuffen würde. Für eine elektro ­ chemische Reaktion wird

jetzt noch ein Elektrolyt benötigt, eine Flüssigkeit, die Leitsalze enthält. Diese befindet

sich in der gesamten Zelle, also in den Elektroden und im Separator. Diese Flüssigkeit ist

auch wieder abhängig von der jeweiligen verwendeten Akku ­Technologie. Bei dem von

mir in Punkt 2 untersuchten Nickel ­ Eisen Akkumulator wird Kaliumhydroxid als

2

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Elektrolyt verwendet. Schließlich wird für den Akku noch ein Gehäuse benötigt, das aus

Zellgefäß und Zelldeckel besteht. Das Zellgefäß ist dabei zugleich der negative Pol, der

Zelldeckel der positive Pol der wiederaufladbaren Zelle. Heutzutage gibt es 3 weit

verbreitete Technologien: den Nickel ­ Cadmium -, Nickel ­ Metallhydrid - und den

Lithium ­ Ionen Akkumulator. (Siehe dazu auch Punkt 2.3.)

1.3. Zelltypen

Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen zwei Zelltypen, nämlich zwischen den

Rundzellen und den prismatischen Zellen. Die meisten wiederaufladbaren Zellen werden

als Rundzellen (auch Wickelzellen genannt) gebaut. Separator, positive ­ und negative

Elektrode werden in Form von Streifen übereinandergelegt und aufgewickelt. Die

Elektroden bieten bei dieser Bauweise die größtmögliche Oberfläche, was für kurze

Ladezeiten und hohe Leistungsfähigkeit sorgt.(Siehe Punkt 2.3.)

Bei den prismatischen Zellen (eckigen Zellen) bestehen die Elektroden aus flachen Platten.

Sie werden eigentlich nur in Geräten eingesetzt, die aufgrund des vorhandenen Raumes

keine Rundzellen zulassen.

1.4. Anwendungsgebiete

Die Anwendungsgebiete von Akkumulatoren sind sehr vielfältig, da normale Batterien den

Nachteil haben, daß sie nach dem Gebrauch nicht mehr regeneriert werden können. Aus

unserem täglichen Leben sind Akkus nicht mehr wegzudenken. Im Folgenden möchte ich

die wichtigsten Gebiete nennen, in denen mit Akkus gearbeitet wird.

??Haushalt

Elektrische Dosenöffner, elektrische Zahnbürsten, elektrische Rasierapparate

??Videoequipment

Tragbare Fernseher, tragbare CD ­ Player, Walkman

??Kommunikation

Tragbare Telefone, Mobiltelefone, Notebooks

??Spielzeug

Ferngesteuerte Autos, Flugzeuge etc.

??Andere

Taschenlampen, medizinisches Material, Fotoapparate (Blitzlicht)

3

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2. Nickel ­ Eisen Akkumulator

2.1. Historie

Der Erfinder des Nickel ­ Eisen Akkus ist Thomas Alva Edison (1847 ­ 1931), seines

Zeichens amerikanischer Ingenieur und Erfinder. Weitere Erfindungen von ihm waren der

Phonograph, die Kohle ­ Fadenlampe, die Glühemission, ein Generator zur

Stromerzeugung und einige weitere Errungenschaften.

2.2. Nickel ­ Eisen Zellen

2.2.1. Aufbau

Die aktiven Komponenten von einem geladenen Nickel ­ Eisen Akkumulator (im

Folgendem kurz NiFe ­ Akku genannt) sind Nickelhydroxid in der positiven Elektrode und

Eisenpulver, das ,,in einer perforierten Metalltasche fixiert ist" in der negativen Elektrode.

Dem Eisen kann ,,zur Erhöhung seiner Lebensdauer Quecksilberoxid oder Cadmiumoxid"

(beide Zitate aus: Werner Baumann, Abfallverhalten neuartiger Batterien) zugesetzt sein.

Der Ausgangsstoff für die Elektrodenmasse ist also eine Mischung aus Eisen und

Eisenoxid, um genau zu sein Fe3O4. Der Elektrolyt besteht aus einer 31% Kalilauge

(KOH).(Siehe dazu auch Punkt 2.3.)

2.2.2. Reaktionen in der Zelle

Bei der Entladung des NiFe ­ Akkus laufen folgende Reaktionen an den Elektroden ab:

Positiver Pol :

Fe + OH Fe(OH)2 + 2 e

Negativer Pol: 2 NiOOH + 2 H2O + 2e 2 Ni(OH)2 + 2 OH

Gesamtgleichung:

Fe + NiOOH + H2O 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2

In Worten formuliert kann man sagen, daß Eisen zu Eisenhydroxid oxidiert und

Nickeloxidhydroxid zu Nickelhydroxid reduziert. Die doppelseitigen Pfeile bedeuten, daß

bei der Ladung des Akkumulators die Reaktion in umgekehrter Richtung abläuft.

2.2.3. Technische Daten

Die Ruhespannung, d.h. die Spannung bei Normalbedingungen, des Nickel ­ Eisen Akkus

beträgt 1,2 Volt. Der Wert der Energiedichte beträgt theoretisch 260 Wattstunden pro

Kilogramm(Wh/kg), die praktische Energiedichte liegt allerdings nur bei 50 Wh/kg.

4

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2.2.4. Anwendung

Zeitweise wurde der Nickel ­ Eisen Akkumulator als Alternative zum Nickel ­ Cadmium

Akku gesehen. Die größten Vorteile gegenüber des NiCd ­ Akkus liegen in der großen

Lebensdauer und in der Zyklenfestigkeit. Außerdem liegen die Kosten von Eisen unter

denen von Cadmium. Ein letzter, besonders in der heutigen Zeit, sehr wichtiger Punkt ist,

daß Eisen im Gegenteil von Cadmium umweltverträglich ist.

Trotz all dieser positiven Aspekte hat der NiFe ­ Akku heutzutage keine praktische

Bedeutung mehr, was vor allem an der starken Korrosion der Eisenelektrode und der damit

verbundenen Gasung liegt. Das führt zu diesem, schon in Punkt 2.2.3. erwähnten, großem

Unterschied zwischen theoretischer und praktischer Energiedichte. Abschließend kann

man sagen, daß keine ausreichende Produktivität bei der Herstellung von Nickel ­ Eisen

Akkumulatoren gegeben wäre.

2.3. Schematische Darstellung eines Akkumulatoren

3. Versuche zu Nickel ­ Eisen Akkumulator

3.1. Vorwort zu den Versuchen

Die Reihenfolge in der ich die Versuche anordnen mußte war wie folgt:

I.

Herstellung von Nickelhydroxid für die positive Elektrode

II.

Herstellung von reinem Eisen für die negative Elektrode

III.

Messung der Spannung des NiFe ­ Akkus bei Normaltemperatur

IV.

Messung der Spannung des NiFe ­ Akkus bei niedriger Temperatur

V.

Messung der Spannung des NiFe ­ Akkus bei hoher Temperatur

Im Weiteren werde ich jetzt jeden dieser Versuche mit Versuchsbeschreibung,

Beobachtung und Deutung dokumentieren.

5

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I. Versuch

Versuchsbeschreibung:

Für den Versuch werden folgende Materialien benötigt:

- ein Nickeldrahtnetz

- 50 ml Nickelnitratlösung (c = 1 mol/l)

- 0,4 ml n ­ Butanol

- Kalilauge (c = 5 mol/l)

- Destilliertes Wasser

- Ein Föhn

Als erstes mußte ich die Nickelnitratlösung ansetzen. Aufgrund der Konzentration von c =

1 mol/l mußte ich zu 50 ml Wasser 14,536 g Nickelnitrat geben. Danach mußte ich noch

die schon in der Konzentration vorhandene Kalilauge in ein passendes Reagenzglas füllen.

Jetzt ging der Versuch in 5 Schritten vor sich.

1. Nickeldrahtnetz in Nickelnitratlösung tauchen und langsam wieder herausziehen

2. Das Nickeldrahtnetz zwei Minuten mit dem Föhn trocknen

3. Netz in Kalilauge eintauchen und langsam wieder herausziehen

4. Wiederholung von Punkt 2.

5. Netz mit destilliertem Wasser abspülen

Diese 5 Punkte mußte ich nun 4 mal wiederholen.

Beobachtung:

Das Nickeldrahtnetz war nun von einer dünnen grünlichen Schicht überzogen.

Deutung:

Das Ziel dieses Versuches war erreicht. Es hat sich das grüne Nickelhydroxid Ni(OH)2

gebildet. Die positive Elektrode des Nickel ­ Eisen Akkus besteht nämlich aus

Nickelhydroxid (siehe auch 2.2.1.).

II. Versuch

Bei diesem Versuch gibt es nicht viel zu beschreiben, da schon reines Eisen in Form eines

langen Eisennagels vorhanden war. Ich mußte diesen Nagel nur eine Weile abschmirgeln,

da er schon etwas angerostet war. Danach hatte ich jetzt auch die negative Elektrode des

Nickel ­ Eisen Akkus fertig präpariert.

III. Versuch

Versuchsbeschreibung:

6

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Folgende Materialien wurden benötigt:

1. Ein Plexiglasgefäß mit Schaumstoff in der Mitte (als Separator)

2. Eine Spannungsquelle

3. Ein Voltmeter

4. Positive und negative Elektrode

5. 800 ml Kalilauge ( 31% )

Als erstes setzte ich mit 800 ml Wasser und 248 g Kaliumhydroxid eine 31 % Kalilauge,

die in dem Akku als Elektrolyt dient, an und füllte diese in das Plexiglasgefäß. Nun

befestigte ich die beiden Elektroden, Nickelhydroxid als positive und Eisen als negative,

so, daß sie genügend in die Kalilauge eingetaucht waren. Die Elektroden wurden daraufhin

von mir mit der Spannungsquelle verbunden und ein Voltmeter wurde parallel

zwischengeschaltet, um die aus dem Akku resultierende Spannung messen zu können.

(Siehe auch Schematische Darstellung und Versuchsfotografie 1). Um das theoretische

Meßergebnis einmal zu veranschaulichen, habe ich an den Akku einen, mit einem

Elektromotor betriebenen, Schirm angeschlossen. Dieser setzte sich daraufhin auch sofort

in Bewegung und hörte erst wieder auf, als der Akku vollständig entladen war (siehe auch

Versuchsfotografie 2). Die Temperatur, die durch die Raumtemperatur bestimmt wurde,

betrug bei der die Messung ca. 20°C.

Beobachtung:

Nachdem ich den Akku mit 2 V Gleichspannung 5 Minuten aufgeladen hatte, war zu

beobachten, daß sich die Farbe, des mit Nickelhydroxid beschichteten Nickeldrahtnetz, am

Pluspol von grün nach schwarz gefärbt hatte. Nachdem ich die Spannungsquelle

abschaltete, konnte ich eine von dem Nickel ­ Eisen Akku erzeugte Spannung am

Voltmeter ablesen. Sie pendelte sich nach einiger Zeit bei ca. 1,53 V ein.

Deutung:

Bei diesem Versuch ist es ratsam die Reaktionsgleichungen für Plus- und Minuspol, sowie

die Gesamtgleichung zu formulieren. Ich bitte hierzu den Punkt 2.2.2. noch einmal zu

betrachten.

Berechnung für diesen Fall:

Wel = 2 * 1,53 V * 96500 C = 295 KJ/mol ? GR = - 295 KJ/mol

? HR kann ich für diesen Fall nicht berechnen, da mir keine passenden Werte aus der

Literatur zur Verfügung stehen und meine Meßergebnisse spiegeln nur ? GR wieder.

7

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Schematische Darstellung und Versuchsfotografie

- +

Eisenelektrode Nickelnetz-

Elektrode mit

Nickelhydroxid

Kalilauge (31%)

Separator (Schaumstoff)

1. Fotografie 2. Fotografie

IV. Versuch

Versuchsbeschreibung:

Es wurde der gleiche Aufbau wie bei Versuch III verwendet, der einzige Unterschied lag

darin, daß ich die Temperatur so weit wie möglich herunterbringen mußte. Als einzig

geeignetes Material dafür erschienen mir Eis. Um dieses unterzubringen, mußte ich meinen

Akkumulator in ein etwas größeres Gefäß stellen und das, von mir schon zerkleinerte, Eis

in dem Zwischenraum zwischen den beiden Gefäßen verteilen (siehe auch

Versuchsfotografie). Der Grund weshalb ich die Eiswürfel zerkleinerte ist, daß ich eine

möglichst große ,,Angriffsfläche" des Eises auf den Akku schaffen wollte.

Beobachtung:

8

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Nachdem das Eis komplett eingefüllt worden war, sank die Temperatur innerhalb des

Akkumulators mit der Zeit immer stärker ab. Den Zusammenhang zwischen Temperatur

und Spannung möchte ich mit diesem Diagramm verdeutlichen.

IV. Versuch

1,34

1,32

1,3

1,28

1,26

Spannung in Volt

1,24

1,22

15,5

15

14,5

14

13,5

13

12,5

11,7

11,5

11

10,5

10

9,5

9

8,5

Temperatur in °C

In diesem Diagramm ist meines Erachtens gut zu erkennen, daß die verminderte

Temperatur einen schlechten Einfluß auf die Spannung hat, die der Akkumulator liefert. Je

stärker die Temperatur sinkt, desto weniger Spannung liefert der Nickel ­ Eisen Akku.

Deutung:

Wenn ich diesem Versuch die Gibbs ­ Helmholtz Gleichung zugrunde lege und mit der

Gleichung für Wel verknüpfe, ist die Deutung des Versuches relativ leicht.

Diese Gibbs - Helmholtz Gleichung lautet wie folgt: ? GR = ? HR ­ T * ? s

Die Gleichung für Wel lautet: Wel = n * U * Q

Daraus folgt, daß je niedriger der Wert ist, den man für T (also die Temperatur) einsetzt,

desto kleiner wird der Wert für ? GR, da ? s ein negatives Vorzeichen besitzen muß (wenn

Energie frei wird. Wie bei jeder Reaktion in einem Akku, ist die Reaktion exergonisch,

was wiederum durch ein negatives Vorzeichen gekennzeichnet wird) wobei der Wert für ?

GR mit dem für Wel gleichzusetzen ist. Weiterhin verringert sich der Wert für U, wenn der

9

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Wert von Wel kleiner wird. Das ist das Ergebnis auf das ich erwartet hatte. Also verringert

sich die Spannung, wenn die Temperatur niedriger wird.

Versuchsfotografie

V. Versuch

Versuchsbeschreibung:

Der Aufbau ist wieder der gleiche wie bei den beiden vorherigen, bis auf die Tatsache daß

ich das Eis gegen heißes Wasser (ca. 60°C) austauschen mußte, um auf eine hohe

Temperatur innerhalb des Akkus zu kommen.

Beobachtung:

Nachdem ich das heiße Wasser einfüllte, stieg die Temperatur innerhalb des Akkus stetig

an. Dies hatte wieder Auswirkung auf die Spannung. Diesen Zusammenhang möchte ich

wiederum anhand dieses Diagramms verdeutlichen.

V. Versuch

1,42

1,41

1,4

1,39

1,38

1,37

1,36

1,35

Spannung in Volt 1,34

1,33

1,32

1,31

19,5

20,5

21

21,5

22,7

23

23,5

24

25

26

27

28

28,5

30,5

Temperatur in °C

Man kann auch in diesem Diagramm ablesen, daß die Spannung mit steigender Temperatur

abfällt. Am Anfang und am Ende bemerkt man, daß die Spannung etwas stärker abfällt als

im Mittelteil des Graphen.

Deutung:

10

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Wenn ich diesem Versuch wieder die Gibbs ­ Helmholtz Gleichung zugrunde lege, kann

ich diesen Versuch eigentlich nicht richtig deuten. Wenn ich in diese Gleichung (siehe

Versuch IV) höhere Werte für T einsetzte müßte ich nach gleicher Vorgehensweise wie in

der vorangegangenen Deutung auch höhere Werte für die Spannung bekommen. Das heißt,

so weit man der Formel glauben kann, und ich denke das kann man, daß meine

Meßergebnisse falsch sind. Ich kann mir das Ganze nur so erklären, daß der Akku den ich

hergestellt habe nicht besonders standfest ist. Wahrscheinlich verliert mein Nickel ­ Eisen

Akku mehr Spannung, als durch die Erhöhung der Temperatur hervorgerufen werden kann.

3.2. Fazit zu den Versuchen

Insgesamt bin ich mit den Ergebnissen meiner Versuche sehr zufrieden. Es ist mir

gelungen einen funktionstüchtigen Nickel ­ Eisen Akkumulator herzustellen, der bei

Normaltemperatur sogar mehr, als die in der Literatur beschriebenen, 1,3 Volt lieferte.

Dieses Phänomen kann ich mir nur so erklären, daß die Verfasser dieser Literatur sich auf

einen Durchschnittswert beziehen, der den gesamten Wirkungsbereich des Akkus zugrunde

legt. Die größten Schwierigkeiten bestanden darin, daß die Werte für die Spannung bei

Raumtemperatur nach dem Aufladen stark variierten. Der Fehler für dieses Problem ist

wahrscheinlich in der immer etwas unterschiedlichen Dauer des Aufladens zu suchen. So

war es schwierig für mich einen exakten Ausgangswert zu ermitteln. Außerdem ist der

Akku, wie schon in der letzten Deutung beschrieben, nicht besonders standfest, verliert

also in relativ kurzer Zeit relativ viel Spannung. Der Wert, den ich dann als Grundlage für

alle Versuche genommen habe, ist ein Durchschnittswert, den ich nach mehrmaligem Auf

­ und Entladen errechnet habe.

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4. Lithium ­ Ionen Akkumulator

4.1. Historie und Anwendung

Die wiederaufladbare Lithium ­ Ionen Technologie ist die jüngste der heute auf dem Markt

konkurrierenden Akku ­ Systeme. Erstmals wurde diese Technologie Anfang des Jahres

1996 auf dem deutschen Markt angeboten. Seit damals hat sich der Absatz dieses Akku ­

Typs sehr positiv entwickelt. Schon im August / September 1998 lag der Absatz bei

15,2%, Tendenz stark steigend. Diesen Trend haben die starke Nachfrage nach

Mobiltelefonen und Notebooks ausgelöst, die zum überwiegendem Teil mit Lithium ­

Ionen Akkumulatoren (kurz Li ­ Ion) betrieben werden ( Zu den Gründen siehe auch 5.1. )

(Die Werte sind einer Grafik aus Varta, Alles über Akkus, S.48, entnommen)

4.2. Lithium ­ Ionen Zellen

4.2.1. Technologie

Lithium ­ Ionen Zellen wurden vorwiegend auf dem Hintergrund entwickelt, den

Energieinhalt, bezogen auf Gewicht und Volumen, so groß wie nur irgend möglich zu

bekommen.

Vor diesem Hintergrund ist Lithium das ideale Anodenmaterial, da es ein sehr niedriges

Atomgewicht hat (6,94 g/mol) und gegenüber anderen chemischen Stoffen eine hohe

Spannung zeigt. Lithium allein ist allerdings als Anodenmaterial ungeeignet, da das

Material beim Wiederaufladen nicht als kompaktes Material, sondern als poröse, dem

Elektrolyten gegenüber hochreaktive Masse, entstehen würde. Deshalb wird das Lithium in

einer Verbindung (meistens Lithiumkobaltoxid) verwendet. Als Anodenmaterial werden

sogenannte Kohlenstoff ­ Einlagerungselektroden aus Koks oder Graphit verwendet in die

sich die, von der Kathode kommenden, Lithium ­ Ionen einlagern können. Da zwischen

den Elektroden eben diese Lithium ­ Ionen ausgetauscht werden, ist die Technologie auch

nach ihnen benannt und nicht wie üblich nach dem Anoden ­ Kathoden Materialien. Als

Elektrolyt wird ein flüssiges organisches Li ­ Salz, das in Kohlensäureestern gelöst ist,

verwendet.

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4.2.2. Reaktionen in der Zelle

Gesamtgleichung:

LiCoO2 + Cn Li1-yCoO2 + LiyCn

(Diese Gleichung habe ich sinngemäß aus dem Varta Spezial ­ Report 1/96, Autor: Dr. M.

G. Hake, entnommen. Für die Index ­ Variablen y und n habe ich keine entsprechenden

Zahlenwerte gefunden)

4.2.3. Technische Daten

Die Ruhespannung beträgt bei dem Li ­ Ion Akku bei 3,6 Volt. Die Energiedichte beträgt

bezogen auf das Gewicht 100 Wh/kg und bezogen auf das Volumen 218 Wh/l.

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5. Vergleich Nickel­Eisen (Cadmium) - mit Lithium­Ionen Akkumulator

5.1. Einführung

Hier beginnt nun der schon im Vorwort beschriebene Teil meiner Facharbeit, in dem ich

mich nicht mehr direkt auf den Nickel ­ Eisen Akku beziehen kann, da diese Technologie

in der heutigen Praxis nicht angewendet wird. Maximal ein, zwei Punkte könnte ich direkt

vergleichen, aber dann halte ich es doch für sinnvoller den ganzen Vergleich einheitlich

mit dem Nickel ­ Cadmium Akku zu ziehen.

5.2. Vergleich

Es gibt eine Reihe von Punkte in denen sich diese beiden Technologien unterscheiden.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Eigenschaften der Akkus aufgeführt.

Vergleichswerte:

Lithium - Ionen Akku

Nickel -Cadmium Akku

Energie (mWh)

1800

840

Gewicht (g)

18

26

Energiedichte (Wh/l)

218

102

Spezielle Energie (Wh/kg)

100

32

Zyklenlebensdauer

500 - 1000

1000

Ruhespannung (V)

3,6

1,2

Der gravierendste Unterschied besteht wohl in dem letzten Punkt der Tabelle; die

Spannung. Sie liegt bei dem Li ­Ion Akku um 2,4 Volt höher als beim NiCd ­ Akku.

Daraus resultiert auch der um ca. 2-3 mal höhere Wert bei den Energiedichten. Ein

weiterer Vorteil entsteht bei Betrachtung des Elektrolyts. Beim Li ­Ion System ist es

möglich, feste Polymerelektrolyte zu verwenden. Das garantiert Auslaufsicherheit und

bietet die Möglichkeit beliebige Zellformen zu realisieren. Auch in der

Umweltverträglichkeit ist der Li ­Ion Akku klar im Vorteil, da keine giftigen Stoffe wie

Cadmium, Quecksilber oder Blei verwendet werden. Wie schon der Name des Nickel ­

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Cadmium Akkus verrät, enthält dieser das eben schon erwähnte giftige Cadmium, was ein

großes Umweltrisiko darstellt.

Doch auch die NiCd ­ Technologie bringt einige Vorteile mit sich. Das System ist um

einiges belastbarer, was sich auch in der Zyklendauer niederschlägt. Systembedingt hat der

NiCd ­ Akku beim Elektrolyt einen Vorteil, da die Leitfähigkeit von einer wäßrigen

Kaliumhydroxid - Lösung ca. 100 mal höher ist als die des organischen Elektrolyts beim

Li ­ Ion Akku. Der größte Vorteil liegt allerdings noch woanders. Die Kosten des NiCd ­

Akkus sind deutlich geringer als die des Li ­Ion Akkus. So ist der Preis für zwei in

Baugröße und Bauform vergleichbare Akkus beim Li ­ Ion Akku mehr als 4mal höher.

Abschließend kann man sagen, daß doch trotz all dieser positiven Aspekte die immens

höhere Leistungsfähigkeit des Lithium ­Ionen Akkus den Ausschlag dafür gibt, daß dieses

der Akku der Zukunft ist und daß der Nickel ­ Cadmium Akku dem Wettbewerb mit dem

Vergleichsakku nicht länger standhalten wird. Die Nachteile, die sich beim Li ­ Ion Akku

ergeben, lassen sich in den Hauptanwendungsgebieten recht gut kompensieren, da z.B.

beim Mobiltelefon die Belastbarkeit dieses Akkus vollkommen ausreichend ist. Auch der

Preis scheint aufgrund der sehr hohen Energiedichten gerechtfertigt.

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Schlußwort

Insgesamt bin ich mit dem Ergebnis meiner Untersuchungen in Bezug auf alle möglichen

Formen der Akkumulatoren zufrieden. Nach anfänglichen Schwierigkeiten bei der

Literaturbeschaffung ist es mir meiner Meinung nach gelungen die chemisch -

physikalischen Vorgänge, die einem Akku zugrunde liegen, objektiv und detailliert

darzustellen und einem außenstehenden Leser (mit ausreichenden chemischen

Grundkenntnissen) begreiflich zu machen

Allerdings traten nach und nach bei der Bearbeitung des Themas einige Probleme auf. Zum

einen war ein großer Teil der Fachliteratur, die ich benutzte, auf Englisch geschrieben und

da ich vor allem so spezielles Englisch nicht ohne weiteres verstehen konnte, mußte ich in

deren Übersetzung eine Menge Zeit investieren.

Außerdem liefen einige der Versuche nicht ganz nach meinen Wünschen ab (siehe dazu

auch Punkt 3.2.).

Ein weiterer Punkt der mir Schwierigkeiten bereitete, war die Untersuchung des Lithium ­

Ionen Akkus, da seine Funktionsweise sehr komplex ist. Ich habe mich daher nur auf die

wichtigsten Aspekte dieser Technologie beschränkt, da eine ausführliche Betrachtung wohl

den Rahmen dieser Facharbeit gesprengt hätte.

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