Abiturwissen Chemie Oberstufe/Elektrochemie/Primärelemente

Lithium-Batterie (LiMnO₂)

Aufbau:

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

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

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:

1. Zn_(s) + 2OH^-_(aq) → Zn(OH)_2(s) + 2e^-

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

Kathodenreaktion:

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

2MnO_2(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

Zink-Kohle-Batterie

https://www.u-helmich.de/che/Q1/inhaltsfeld-3-ec/61-Batterien/seiteEC-61A1.html

Anodenreaktion:

Zn_(s) → Zn²⁺ + 2e^-

Kathodenreaktion:

2MnO₂ + 2H₂O + 2e^- → 2MnO(OH) + 2OH^-

Sekundärreaktionen: (NH4 aus dem Elektrolyten)

1. 2NH⁴⁺ + 2OH^- → 2NH₃ + 2H₂O

2. Zn²⁺ + 2NH₃ → [Zn(NH₃)₂]²⁺

3. [Zn(NH₃)₂]²⁺ + 2Cl^- → [Zn(NH₃)₂]Cl₂

Vorteile	Nachteile
- giftige Stoffe binden an einen unlöslichen Komplex	- elektrischer Widerstand nimmt zu
	- gleichzeitig sinkt die Leistung
	- Zinkbecher kann porös werden → Gefahr des Auslaufens des Elektrolyten steigt
	- hohe Selbstentladung