Abiturwissen Chemie Oberstufe/Elektrochemie/Primärelemente: Unterschied zwischen den Versionen

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===Alkali-Mangan-Batterie===
Die Alkali-Mangan-Batterie ist eine Fortentwicklung der Zink-Kohle-Batterie (LeClanché-Element). Der bedeutendste Unterschied zwischen den beiden Batterien ist, dass sich das Zink nicht in einem Zinkbecher außerhalb der Batterie befindet, sondern in einer Zinkpaste innerhalb der Batterie.
 
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'''Anodenreaktion''':
 
1. Zn<sub>(s)</sub> + 2OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>  → Zn(OH)<sub>2(s)</sub> + 2e<sup>-</sup>
 
2. Zn(OH)<sub>(s)</sub> + 2OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>  → [Zn(OH)<sub>4</sub>]<sup>2-</sup><sub>(aq)</sub>
 
'''Kathodenreaktion''':
 
Mangan(IV)oxid wird zu Mangan(III)hydroxid reduziert:
 
2MnO<sub>2(s)</sub> + 2H<sub>2</sub>O<sub>(l)</sub> + 2e<sup>-</sup> → 2MnO(OH)<sub>(s)</sub> + 2OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>
 
'''Nebenreaktion:'''
 
Zink wird oxidiert und Wasser zu gasförmigem Wasserstoff reduziert:
 
Zn + 2H<sub>2</sub>O + 2OH<sup>-</sup> → [Zn(OH)<sub>4</sub>]²<sup>-</sup> + H<sub>2</sub>
 
'''Vorteile: (Vergleich zur LeClanché-Batterie)'''
 
- höhere Stromdichte
 
- weniger Schwankungen
 
- längere Betriebsdauer
 
- hohe Auslaufsicherheit, jedoch kann sie aufgrund eines Kurzschlusses und des daraus resultierenden Überdrucks dennoch auslaufen
 
- auch bei niedrigen Temperaturen funktionsfähig
 
- geringere Selbstentladung
 
- chemische Reaktionen können schneller ablaufen, da die Zinkoberfläche hier größer ist
 
 
===Lithium-Batterie  (LiMnO<sub>2</sub>)===
'''Aufbau''':
 
Die Kathode der Lithium-Mangandioxid-Batterie besteht aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO<sub>2</sub>) und die Anode aus metallischem Lithium.
 
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'''Anodenreaktion:''' Li → Li<sup>+</sup> + e<sup>−</sup>
 
'''Kathodenreaktion:''' MnO<sub>2</sub> + Li<sup>+</sup> + e<sup>−</sup> → LiMnO<sub>2</sub>
 
'''Gesamtreaktion:''' Li + MnO<sub>2</sub> → LiMnO<sub>2</sub>
{| class="wikitable"
!Vorteile
!Nachteile
|-
|'''-''' niedrigstes Elektrodenpotenzial
| - starke Reaktion mit Wasser,
darf nicht damit in Berührung kommen
|-
| - kleinste Dichte
| - aufwendige Herstellung/hohe Herstellungskosten
|-
| - hohe Spannung (2,8-3,6V)
| - Alterserscheinungen: altert auch ohne Benutzung
|-
| - Leichtmetall
| - Sicherheit: Probleme mit Überhitzung, vor allem durch
Kontakt zweier Akkus (Transport) → verursacht Brände
|-
| - geringe Selbstentladung → lange Lagerfähigkeit
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|}
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=== Zink-Luft-Batterie ===
 
 
'''Anodenreaktion:'''
 
Zink wird oxidiert und gibt dabei je zwei Elektronen ab:
 
2 Zn<sub>(s)</sub> →  2 Zn²<sup>+</sup> + 4 e<sup>-</sup>
 
'''Kathodenreaktion:'''
 
Sauerstoff gelangt durch die kleinen Poren in die Batterie und wird dort reduziert:
 
O<sub>2(g)</sub> + 2 H<sub>2</sub>O + 4 e<sup>-</sup> →  4 OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>
 
'''Gesamtreaktion:'''
 
2 Zn<sub>(s)</sub> + O<sub>2(g)</sub> + 2 H<sub>2</sub>O →  2 Zn(OH)<sub>2</sub>
 
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Aktuelle Version vom 26. März 2019, 10:04 Uhr

Alkali-Mangan-Batterie

Die Alkali-Mangan-Batterie ist eine Fortentwicklung der Zink-Kohle-Batterie (LeClanché-Element). Der bedeutendste Unterschied zwischen den beiden Batterien ist, dass sich das Zink nicht in einem Zinkbecher außerhalb der Batterie befindet, sondern in einer Zinkpaste innerhalb der Batterie.


AlkaliManganBatterie.jpg


Anodenreaktion:

1. Zn(s) + 2OH-(aq) → Zn(OH)2(s) + 2e-

2. Zn(OH)(s) + 2OH-(aq) → [Zn(OH)4]2-(aq)

Kathodenreaktion:

Mangan(IV)oxid wird zu Mangan(III)hydroxid reduziert:

2MnO2(s) + 2H2O(l) + 2e- → 2MnO(OH)(s) + 2OH-(aq)

Nebenreaktion:

Zink wird oxidiert und Wasser zu gasförmigem Wasserstoff reduziert:

Zn + 2H2O + 2OH- → [Zn(OH)4]²- + H2

Vorteile: (Vergleich zur LeClanché-Batterie)

- höhere Stromdichte

- weniger Schwankungen

- längere Betriebsdauer

- hohe Auslaufsicherheit, jedoch kann sie aufgrund eines Kurzschlusses und des daraus resultierenden Überdrucks dennoch auslaufen

- auch bei niedrigen Temperaturen funktionsfähig

- geringere Selbstentladung

- chemische Reaktionen können schneller ablaufen, da die Zinkoberfläche hier größer ist


Lithium-Batterie (LiMnO2)

Aufbau:

Die Kathode der Lithium-Mangandioxid-Batterie besteht aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO2) und die Anode aus metallischem Lithium.


LithiumBatterie.jpg


Anodenreaktion: Li → Li+ + e−

Kathodenreaktion: MnO2 + Li+ + e− → LiMnO2

Gesamtreaktion: Li + MnO2 → LiMnO2

Vorteile Nachteile
- niedrigstes Elektrodenpotenzial - starke Reaktion mit Wasser,

darf nicht damit in Berührung kommen

- kleinste Dichte - aufwendige Herstellung/hohe Herstellungskosten
- hohe Spannung (2,8-3,6V) - Alterserscheinungen: altert auch ohne Benutzung
- Leichtmetall - Sicherheit: Probleme mit Überhitzung, vor allem durch

Kontakt zweier Akkus (Transport) → verursacht Brände

- geringe Selbstentladung → lange Lagerfähigkeit


Zink-Luft-Batterie

Anodenreaktion:

Zink wird oxidiert und gibt dabei je zwei Elektronen ab:

2 Zn(s) → 2 Zn²+ + 4 e-

Kathodenreaktion:

Sauerstoff gelangt durch die kleinen Poren in die Batterie und wird dort reduziert:

O2(g) + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-(aq)

Gesamtreaktion:

2 Zn(s) + O2(g) + 2 H2O → 2 Zn(OH)2


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