V1 Überprüfung der Leitfähigkeit
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Reihe „Wenn der Strom nicht aus der Steckdose kommt... – mobile Energiespeicher“ Stationenlernen Akkumulatoren Station 1: Strom im Auto: der Blei-Akkumulator 1.1 Aufgabenstellung 1. Führen Sie den Versuch durch! 2. Fertigen Sie ein sorgfältiges Versuchsprotokoll an: a. schildern Sie möglichst genau alle Beobachtungen auch an den Elektroden! b. Verwenden Sie bei der Deutung die entsprechende Fachterminologie (Anode/Kathode / PlusPol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion) 3. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Überladung (vgl. Material und Durchführung 3.) Begründen Sie ausführlich, warum erst bei einer Spannung von mehr als 2,5 V der zu beobachtende Effekt eintritt. Definieren Sie mit eigenen Worten die Begriffe Überspannung, Zersetzungsspannung und Überpotential! 4. Erklären Sie, warum sich die Elektrodenpotentiale des Blei-Akkus von den Standard-ElektrodenPotentialen unterscheiden! Berechnen Sie die Potentiale, nehmen Sie dazu an, dass die SulfationenKonzentration c(SO42-) = 0,5 mol·L-1 beträgt. (Achtung: sinnvollerweise betrachten Sie den Entladevorgang!) 5. Wie wird in der Autobatterie die Spannung von 12 V erreicht? 1.2 Versuchsanleitung Geräte Becherglas 50 mL 2 Bleibleche Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner Elektromotor) Chemikalien Schwefelsäure c = ca. 2 mol·L-1 (Batteriesäure, siehe Entsorgung) C R: 35 S: 26-36/37/39-45 Durchführung 1. Es wird eine Spannung von 2,5 V für etwa 2 Minuten angelegt. 2. Nach dem Abschalten der Spannungsquelle werden die Elektroden a. über ein Voltmeter b. über den Verbraucher (Glühbirnchen bzw. Elektromotor) miteinander verbunden Der Versuch wird mehrfach wiederholt, dabei reicht es, wenn die Spannung jeweils nur für 1 min angelegt wird. 3. Es wird für ca. 1 min eine Spannung von 4 V angelegt. weitere Sicherheitshinweise Die Bleibleche dürfen keinesfalls geschmirgelt werden und sollten auch nach Möglichkeit nicht mit den Händen angefasst werden, diese sind ansonsten unmittelbar zu waschen. Die Schwefelsäure wird in einer speziell beschrifteten Flasche (Schwefelsäure für Bleiakku) aufbewahrt und kann immer wiederverwertet werden. Sie darf keinesfalls in den Ausguss gegeben werden! Entsorgung entfällt bei Beachtung der Sicherheitshinweise 1.3 Informationen 1.3.1 Oxidationsstufen von Hauptgruppenmetallen Die höchste Oxidationsstufe der Hauptgruppenelemente entspricht der Gruppennummer im PSE, bei den Hauptgruppenmetallen sind vor allem die höchste und die um zwei erniedrigte Oxidationsstufe von Bedeutung, diese niedrigere Oxidationsstufe gewinnt mit steigender Periode an Bedeutung. 1.3.2 Blei/Bleidioxid-System (Andere Bezeichnungen: Blei-Säure-Akku, Bleiakkumulator, Lead-acid battery system) Anwendung Der Bleiakkumulator ist das am häufigsten angewandte Sekundärsystem. Die größten Stückzahlen gehen in die Autoindustrie als Starterbatterie. Andere Anwendungen sind Traktionsbatterien in Gabelstaplern, elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und U-Booten. Notstromversorgungen für große Anlagen werden allgemein mit Bleiakkumulatoren ausgerüstet. Batterien werden mit Kapazitäten von 1 Ah bis zu 12.000 Ah gebaut. Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen (Die Gleichungen beziehen sich auf den Ladevorgang, der Entladevorgang entspricht der Rückreaktion) Negative Elektrode Positive Elektrode Summe PbSO4 + 2 H+ + 2 ePbSO4 + 2 H2O 2 PbSO4 + 2 H2O Pb + H2SO4 PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 ePb + PbO2 + 2 H2SO4 Der Elektrolyt ist wässrige Schwefelsäure. Da die Schwefelsäure an den elektrochemischen Reaktionen beteiligt ist, muss sie strenggenommen zu den aktiven Massen gerechnet werden. Die Säurekonzentration kann daher als Maß für den Ladezustand des Bleiakkus verwendet werden. Da die Säurekonzentration mit der Entladung abnimmt besteht bei einem teilentladenen Akku und tiefer Umgebungstemperatur früher die Gefahr des Einfrierens der Elektrolytlösung. Mit eingefrorener Elektrolytlösung kann die Batterie, durch den höheren Innenwiderstand, keinen hohen Laststrom liefern. Gegen Ladeschluss (nahezu alles PbSO4 ist in PbO2 umgewandelt), überschreitet die Zelle die Gasungsspannung von 2,39 V und es beginnt eine Überladereaktion bei der, aus dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Wasser, Wasserstoff- und Sauerstoff-Gas erzeugt wird. Achtung! Hochexplosive Gasmischung mit sehr niedriger Zündenergie und –Temperatur. Bei einigen Bauarten wird das gebildete Knallgas über eine Katalysatorpatrone zu Wasser rekombiniert = kein Wasserverlust, wartungsarm. Technische Daten Elektrolytlösung (RT): o Konzentration Schwefelsäure: 36,9 Gew.% = 1,28 g/cm³ voll geladener Akku, o 7,7 Gew.% = 1,05 g/cm³ entladener Akku o für Schwefelsäure mit 1,28 g/cm³ RT gilt: o Leitfähigkeit: 0,7 S/cm o Gefrierpunkt: -60 °C o Viskosität: 2,5 Centipoise Leerlaufspannung : 2,08 V, Nennspannung: 2 V Entladeschlußspannung: 1,4 bis 1,7 V je nach Belastung Nennentladestrom: C/20 = 1/20 der Nennkapazität [Ah] in [A]. Bei höheren Strömen verringert sich die entnehmbare Kapazität. Lagertemperatur: -25 bis 60 °C Betriebstemperatur: -10 bis 60 °C Achtung! Entladene Akkus frieren durch die geringere Schwefelsäurekonzentration rasch ein. Theoretische spezifische Energie : 160 Wh/kg Praktische spez. Energie je nach Bauart: 25 bis 40 Wh/kg Praktische Energiedichte: 60 bis 95 Wh/l Energiewirkungsgrad : 70 bis 80 % Lebensdauer : 250 bis 1.000 Zyklen, hängt sehr stark von der Bauart und den Betriebsbedingungen ab. Allgemein verringern folgende Faktoren die Lebensdauer: hohe Entladetiefe, Betriebstemperaturen > 25 °C, Ladeschluss-Spannung > 2,30 V, lange Lagerzeit im teil- oder tiefentladenen Zustand (gefüllte Akkus nur im geladenen Zustand lagern und regelmäßig nachladen!). Selbstentladung : je nach Bauart und Antimongehalt der Bleigitter bei Raumtemperatur 1 bis 20% im Monat. Bei einer Erhöhung der Lagertemperatur um jeweils 10 Grad verdoppelt sich die Selbstentladungsrate. Bauarten : Vielfältige, dem jeweiligen Verwendungszweck angepasste Bauweisen. Neben den offenzelligen Batterien mit flüssiger Schwefelsäure werden auch geschlossene Zellen mit eingedicktem Elektrolyt (thixotrope Mischung mit Kieselsäure = SiO2) hergestellt. Diese Batterien sind lageunabhängig und werden mit einer max. Spannung von 2,35 V / Zelle geladen. Diese Betriebsweise ergibt wartungsfreie Batterien, da beim Laden kein Wasserverlust auftritt. Quelle: http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/bleisystem.html (18.11.2005) 1.3.3 Aufbau Bildquelle: Cornelsen 1.3.4 Überspannung In der Praxis wird zur Abscheidung von Gasen an Elektroden in Abhängigkeit von Ionenkonzentration, Stromdichte und Elektrodenmaterial oft eine deutlich höhere Spannung benötigt, als nach dem Halbzellenpotential berechnet wer den kann. Die Differenz zwischen Abscheidespannung und ElektrodenPotential bezeichnet man als Überspannung. Eine Übersicht gibt nebenstehende Tabelle. 1.3.5 Potentiale etc. E0(Pb/PbSO4) = - 0,36 V E E0(Pb/Pb2+) = - 0,13 V E0(H2/H+) = 0,00 V E0(H2O/O2) = - 1,23 V E0(Pb2+/PbO2) = + 1,46 V E0(Pb/Pb2+) = + 1,69 V KL(PbSO4) = 2·10-8 mol2·L-2 Überpotentiale / V bei einer Stromdichte ElektrodenGas von material -2 10 A/cm² 10-1 A/cm² WasserPlatin (platiniert) 0,03 0,05 stoff Platin ( blank) 0,35 0,40 Eisen 0,53 0,64 Graphit 0,76 0,99 Zink 0,88 1,10 Quecksilber 1,15 1,21 Blei 1,24 1,26 Sauerstoff Platin (blank) 1,32 1,50 Eisen 0,48 0,56 Graphit 0,53 1,09 Palladium 1,01 1,21 Blei 0,97 1,02 Chlor Platin 0,008 0,05 Graphit 0,05 0,25
