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

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=== Lithium-Batterie  (LiMnO<sub>2</sub>) ===
'''Aufbau''':
 
Die Kathode der Lithium-Mangandioxid-Batterie besteht aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO2) und die Anode aus metallischem Lithium.
 
'''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>
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!Vorteile
!Nachteile
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|'''-''' niedrigstes Elektrodenpotenzial
| - starke Reaktion mit Wasser,
darf nicht damit in Berührung kommen
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| - kleinste Dichte
| - aufwendige Herstellung/hohe Herstellungskosten
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| - hohe Spannung (2,8-3,6V)
| - Alterserscheinungen: altert auch ohne Benutzung
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| - Leichtmetall
| - Sicherheit: Probleme mit Überhitzung, vor allem durch
Kontakt zweier Akkus (Transport) verursacht Brände
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| - geringe Selbstentladung lange Lagerfähigkeit
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=== 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<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''':
 
1. 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
 
=== 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>
 
'''Kathodenreaktion:'''
 
2MnO<sub>2</sub> + 2H<sub>2</sub>O + 2e<sup>-</sup> → 2MnO(OH) + 2OH<sup>-</sup>
 
'''Sekundärreaktionen: (NH4 aus dem Elektrolyten)'''
 
1. 2NH<sup>4+</sup> + 2OH<sup>-</sup> → 2NH<sub>3</sub> + 2H<sub>2</sub>O
 
2. Zn²<sup>+</sup> + 2NH<sub>3</sub> → [Zn(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>]²<sup>+</sup>
 
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>
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!Vorteile
!Nachteile
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| - giftige Stoffe binden an einen unlöslichen Komplex
| - elektrischer Widerstand nimmt zu
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| - gleichzeitig sinkt die Leistung
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| - Zinkbecher kann porös werden → Gefahr des Auslaufens des Elektrolyten steigt
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| - hohe Selbstentladung
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Version vom 19. März 2019, 09:58 Uhr

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:

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

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
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