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

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===Lithium-Batterie (LiMnO<sub>2</sub>)===
===Alkali-Mangan-Batterie===
'''Aufbau''':
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.


Die Kathode der Lithium-Mangandioxid-Batterie besteht aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO2) 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
|
|}<br />
===Alkali-Mangan-Batterie===
Die Alkali-Mangan-Batterie ist eine 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.


'''Anodenreaktion''':
'''Anodenreaktion''':
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1. Zn<sub>(s)</sub> + 2OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>  → Zn(OH)<sub>2(s)</sub> + 2e<sup>-</sup>
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>
2. Zn(OH)<sub>(s)</sub> + 2OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>  → [Zn(OH)<sub>4</sub>]<sup>2-</sup><sub>(aq)</sub>


'''Kathodenreaktion''':
'''Kathodenreaktion''':


1. Mangan(IV)oxid wird zu Mangan(III)hydroxid reduziert:
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>
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>
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- geringere Selbstentladung
- geringere Selbstentladung


<br />
- chemische Reaktionen können schneller ablaufen, da die Zinkoberfläche hier größer ist
===Zink-Kohle-Batterie===
<nowiki>https://www.u-helmich.de/che/Q1/inhaltsfeld-3-ec/61-Batterien/seiteEC-61A1.html</nowiki>


'''Anodenreaktion:'''


Zn<sub>(s)</sub> → Zn²<sup>+</sup> + 2e<sup>-</sup>
===Lithium-Batterie  (LiMnO<sub>2</sub>)===
'''Aufbau''':


'''Kathodenreaktion:'''
Die Kathode der Lithium-Mangandioxid-Batterie besteht aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO<sub>2</sub>) und die Anode aus metallischem Lithium.


2MnO<sub>2</sub> + 2H<sub>2</sub>O + 2e<sup>-</sup> → 2MnO(OH) + 2OH<sup>-</sup>
<br />
[[Datei:LithiumBatterie.jpg|zentriert|mini|493x493px]]


'''Sekundärreaktionen: (NH4 aus dem Elektrolyten)'''


1. 2NH<sup>4+</sup> + 2OH<sup>-</sup> → 2NH<sub>3</sub> + 2H<sub>2</sub>O
'''Anodenreaktion:''' Li → Li<sup>+</sup> + e<sup>−</sup>


2. Zn²<sup>+</sup> + 2NH<sub>3</sub> → [Zn(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>]²<sup>+</sup>
'''Kathodenreaktion:''' MnO<sub>2</sub> + Li<sup>+</sup> + e<sup>−</sup> → LiMnO<sub>2</sub>


3. [Zn(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>]²<sup>+</sup> + 2Cl<sup>-</sup> → [Zn(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>]Cl<sub>2</sub>
'''Gesamtreaktion:''' Li + MnO<sub>2</sub> → LiMnO<sub>2</sub>
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|+
!Vorteile
!Vorteile
!Nachteile
!Nachteile
|-
|-
| - giftige Stoffe binden an einen unlöslichen Komplex
|'''-''' niedrigstes Elektrodenpotenzial
| - elektrischer Widerstand nimmt zu
| - starke Reaktion mit Wasser,
darf nicht damit in Berührung kommen
|-
| - kleinste Dichte
| - aufwendige Herstellung/hohe Herstellungskosten
|-
|-
|
| - hohe Spannung (2,8-3,6V)
| - gleichzeitig sinkt die Leistung
| - Alterserscheinungen: altert auch ohne Benutzung
|-
|-
|
| - Leichtmetall
| - Zinkbecher kann porös werden → Gefahr des Auslaufens des Elektrolyten steigt
| - Sicherheit: Probleme mit Überhitzung, vor allem durch
Kontakt zweier Akkus (Transport) → verursacht Brände
|-
|-
| - geringe Selbstentladung → lange Lagerfähigkeit
|
|
| - hohe Selbstentladung
|}
|}
<br />
=== 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>
<br />

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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