Abiturwissen Chemie Oberstufe/Elektrochemie/Primärelemente

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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.


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- + 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