ZİNK LUFT BATTERIEN PDF

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Summary

Eine ausfürliche Hausarbeit über Zink Luft Batterien mit Quellenangabe...

Description

İstanbul Erkek Lisesi Chemieunterricht Schuljahr 2019/20

Die Zink-Luft-Batterie

Hausarbeit

Vorgelegt von: Ilgın Çağla Özcan Umut Zorka

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Der Aufbau und der Mechanismus der Zink-Luft-Batterie

3. Reaktionsgleichungen und Standardelektrodenpotenzialrechnung

4. Vor-/Nachteile der Zink-Luft-Batterie

5. Der Ausblick

6. Literaturverzeichnis

7. Erklärung

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1. Einleitung

In der heutigen Welt hat der Verwendung von Elektrogeräten im Vergleich zur Vergangenheit erheblich zugenommen. Infolge der zunehmenden Nutzung und des ständigen Strombedarfs stieg auch der Bedarf an Energiequellen wie Batterien. James Conca bezeichnet die Technologie der Batterien als die „Zukunft der Energie“ ( vgl. Conca, James: Energy's Future - Battery and Storage Technologies, https://www.forbes.com/sites/jamesconca/2019/08/26/energys-future-batteryand-storage-technologies/#4be8099f44cf , 26.08.2019). Zink-Luft-Batterien, die als ein Beispiel für diese Technologien gelten kann, werden heute häufig verwendet, weil ihre Energiedichte hoch und ihre Produktion wirtschaftlich ist. Diese Batterien, die in verschiedenen Formen und Größen erhältlich sind, werden in Hörgeräten, Pagern, Elektrofahrzeugen und medizinischen Geräten verwendet. In dieser Hausarbeit werden wir auf Zink-Luft-Batterien konzentrieren. Nach der Reihe werden der Mechanismus und die Aufbau dieser Batterien und wie diese Batterien funktionieren auseinandergesetzt, Reaktionsgleichungen gegeben, mithilfe der Elektrochemie erklärt wie sie Energie liefern und wie sie entladet werden, und ihre Vor- /Nachteile diskutiert. Die Arbeit endet mit einem Ausblick.

2. Der Aufbau und der Mechanismus der Zink-Luft-Batterie Die Zink-Luft-Batterie ist eine Primärzelle, unter der versteht man die galvanischen Zellen, die nicht wiederaufladen können, nachdem es entladen ist. In der Zink-Luft-Batterie reagiert das Zink-Metall mit dem Luftsauerstoff und entsteht durch diese Reaktion zwischen der Anode, der eine Elektrodenpotential von -1.199V hat, und der Kathode, der eine Elektrodenpotential von 0.401V hat, eine Spannung von theoretisch maximal 1,60V. Bei der Ruhespannung befindet sich die benutzbare Spannung in einem Bereich von 1.35V bis 1.4V wegen der Beschränkung der Luftzufuhr. In der Zink-Luft-Batterie reagiert Zinkpulver, aus dem die Kathode dieses Systems entsteht, mit dem Oxidationsmittel Luftsauerstoff, der Bestandteil der Anode ist, in einer alkalischen Elektrolyt-Lösung zu einem Zinkhydroxid oder Zinkoxid oxidiert. Bei dieser Reaktion ist ein Katalysator vorhanden, um die Sauerstoffreduktion und Hydroxidoxidation zu beschleunigen. Das Reduktionsmittel Zink befindet sich in der Zelle und das Oxidationsmittel Luftsauerstoff wird durch die semipermeable Gasdiffusionselektrode mit dem Katalysator in die Zelle aufgenommen und wird dabei reduziert. Der Katalysator entwickelte die Reduktion der Luftsauerstoff weiter. Die nach der Reaktion entstandene Hydroxidionen werden in dem Elektrolyten durch den Separator in die Anode

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transportiert und dabei oxidieren das Metall Zink. Die dabei durch das Elektrodenpotentialdifferenz vorkommende Energie wird elektrochemisch verwendet.

Abb. 1 Aufbau einer Zink-Luft-

Katalysatoren bei der Zink-Luft-Batterie 

Bei den elektrochemischen

Abb. 2 Aufbau einer Zink-Luft-Batterie

Separatoren bei der Zink-Luft-Batterie: 

Die Separatoren sind die Bausteine bei

Reaktionen sind die Katalysatoren

den galvanischen Zellen, die dazu

benötigt, um die Sauerstoffreduktion

dienen, die Kathode und die Anode

und Hydroxidoxidation zu

(Oxidations- und Reduktionsmittel)

beschleunigen. Der Grund dafür ist,

räumlich und elektrisch voneinander

dass eine hohe Aktivierungsenergie

zu trennen. Zusätzlich ist zu betonen,

benötigt ist, um die Reduktion und die

dass sie eine große Rolle dafür

Oxidation Reaktionen stattzufinden.

spielen, die Entstehung der

Aus diesem Grund läuft die Reaktion

Zinkdendriten bei der Kathode zu

relativ langsam. Darum braucht man

verhindern. Als Separator ist ein

die Katalysatoren. Als ein Katalysator

mikropermeables Filterpapier genutzt.

oft werden Graphitstab, Graphitpulver oder ein Kohlenstoffgitter benutzt. Gasdiffusionselektrode bei der Zink-Luft-Batterie: Gasdiffusionselektrode, bei der das Luftsauerstoff reduziert ist, sind die Elektroden, die aus Verbindungen zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Grenzflächen (in Reihe: der Katalysator, das Elektrolyt, der Gasraum) und einem Elektronen leitenden Katalysator, der eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase unterstützt. (vgl. https://de.wikipedia.org /// G diff i l kt d )

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Abb. 3 Sketch of reactions in a Zinc-Air-Battery during discharging.

Abb. 4 Sketch of a Gas diffusion electrode

3. Reaktionsgleichungen und Standardelektrodenpotenzialrechnung

Entladevorgang:

Kathode:

Anode:

(Reduktion/Elektronenaufnahme)

(Oxidation/Elektronenabgabe):

O2 + 2 H2O + 4e- 4 OH-

2 Zn + OH-  2 Zn(OH)42- + 4e-

0.401 V

E0 = -1.199 V

E0 =

Gesamtreaktion (Redoxreaktion):

Elektrolyt:

2 Zn + O2 + 2 H2O  2 Zn(OH)2

2 Zn(OH)42-  2 ZnO + 2 H2O + 4

ΔU = 0.401 V – (-1.199 V) = 1.6 V

OH

-

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4. Vor-/Nachteile und der Zink-Luft-Batterien Im Vergleich zu anderen Batterien ist weniger Material erforderlich. Zink bekommt seine Reaktionspartner Luft , die es für die Reaktion und Energieerzeugung benötigt, aus der Umgebung Daher ist es ausreichend, Zink in der Batterie zu haben. Deswegen besitzen diese Batterien die Chance, eine kleinere Größe zu haben. Da es ziemlich einfach ist, das Element Zink, das für die Batterie wesentlich ist, zu finden (Zink ist das 24. Häufigste vorkommende Element), wird es keine Ressourcenknappheit in ihrer Herstellung erlebt und wird es billiger als die Elemente, die schwieriger zu finden. Außer seine Vorteile als Material haben ZinkLuft-Batterien eine dreimal größere Energiedichte (das Verhältnis ihre Energie zu ihrer Masse) im Vergleich zu anderen Batterien. Dabei ist es ein großer Faktor, dass die Reaktionspartner Sauerstoff aus der Umgebung aufgenommen wird. Deswegen wird seine Masse nicht gezählt. Theoretisch sind diese Batterien in der Lage, max. 400 Wh/kg zu erreichen. Wenn diese Batterien in eine sauerstofffreie Umgebung gebracht werden, nimmt die Selbstentladungsrate erheblich ab, da sie den Sauerstoff, den sie für die Energieerzeugung benötigen, von außen aufnehmen. Auf diese Weise kann die Lebensdauer dieser Batterien auf bis zu 10 Jahre verlängert werden, sofern sie in der Zeit, in der sie nicht benutzt werden, in einer sauerstofffreien Umgebung gelagert werden. Zusätzlich zu den Vorteilen bei Verwendung und Produktion sind diese Batterien umweltfreundlicher. Sie enthalten weder hochexplosiven noch leicht entflammbaren Materialien. Während manche Batterien bei Kontakt mit Feuchtigkeit oder Wasser explosiv oder brennbar sein können, besteht bei diesen Batterien keine große Gefahr. Daher sind diese Batterien sicherer zu verwenden als andere. Darüber hinaus sind die Inhaltsstoffe leicht abbaubar. So können sie bis zu 98% recycelt werden.

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Neben den guten Aspekten weisen Zink-Luft-Batterien auch Aspekte auf, die verbessert werden müssen. Zum Beispiel liegt der Wirkungsgrad (Verhältnis von aufgewandter zu nutzbarer Energie) gegenwärtig bei 60%. Um die Batterien idealisieren zu können, soll dieser Wert erhöht werden. Da die Batterien mit Sauerstoff arbeiten, verringern Faktoren wie Feuchtigkeit und CO₂-Gehalt, die das Eindringen von Sauerstoff verhindern, die Leistung der Batterie. Es kann definitiv gesagt werden, dass die Batterie in einer sauerstofffreien Umgebung nicht arbeiten kann. Die aktive Lebensdauer der Batterien (die Zeit, in der die Batterie aktiv funktioniert.), ist im Vergleich zu anderen Batterien ebenfalls gering.

5. Der Ausblick In dieser Hausarbeit sollten die Zink-Luft-Batterien informativ präsentiert werden. Wir profitierten von unterschiedlichen Quellen und Forschungen aus Internet, denen detaillierten Information im Literaturverzeichnis gegeben werden. Die Zink-Luft-Batterie ist eine Primärzelle. Durch die Reaktion zwischen dem Reduktionsmittel Zink und dem Oxidationsmittel Luftsauerstoff entsteht eine Spannung von 1.6 V. Heutzutage sind die Zink-Luft-Batterien in der Form von Knopfzelle erreichbar. Die Zink Luft Batterien sind ein Teil der Entwicklung im Energie Sektor. Sie besitzen manche Vorteile, die nicht übergesehen werden dürfen. Sie sind umweltfreundlicher, billiger, sicherer und kleiner. Darüber hinaus besitzen sie eine große Energiedichte und ein langes Lebensdauer unter richtigen Bedingungen. Trotzdem haben sie immer noch einige Probleme, die verbessert werden sollen. Wenn sie durch zukünftige Entwicklungen weiter idealisiert werden, dann wird ihre Anwendung öfter und vielfältiger.

Literaturverzeichnis 

Batterie-Info, Zink-Luft Akku, Wissen, Batterie und Akku, https://batterieinfo.de/Thema/zink-luft-akku/ ,o. J.



Betz, Christopher ; Freundlieb, Mareike; Prof. Dr. Lilienhof, Hans-Joachim; Lupczyk, Michael; Prof. Dr. Schlüter, Michael, Prof. Dr. Schröder; Seydel, Sebastian; Zink-Luft-Batterie https://www.whs.de/fileadmin/public/dokumente/studieren/Hauptseiten/Karriere/Posterausst ellung/Poster_Zink-Luft-Batterie.pdf , o.J.



Bevers, Dirk/ Bolwin, Klaus/ Gülzow, Erich; Optimierung von Gasdiffusionselektroden; https://www.spektrum.de/magazin/optimierungvon-gasdiffusionselektroden/822427; 1. Januar 1997



Davidson, Michael W. , Zinc-Air Batteries, https://micro.magnet.fsu.edu/electromag/electricity/batteries/zincair.html, 13.11.2015



Dr. Abdul‐Zehra, Hassan, ZINC/AIR BATTERIES - BUTTON CONFIGURATION, http://www.uobabylon.edu.iq/eprints/paper_4_22316_736.pdf, o.J.



Dr. Cadu, Svetlana 2018, Übersetzung: Dr. Wiechmann, Sascha, Zink-LuftBatterien, Ionische Flüssigkeiten für Metall-Luft-Batterien, Batterien, Elektrolyte, https://iolitec.de/node/648, 12.06.2018



Gasdiffusionselektrode; https://de.wikipedia.org/wiki/Gasdiffusionselektrode; 17. Januar 2019 und Gas Diffusion Electrode; https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_diffusion_electrode; 29 Februar 2020



IT WissenZink-Luft-Batterie; https://www.itwissen.info/Zink-Luft-Batteriezinc-air-battery.html



Kremp, Mathias, Neue Batterietechnologie Zink + Luft = Energie, Gadgets, Netzwelt, https://www.spiegel.de/netzwelt/gadgets/neue-batterietechnologiezink-luft-energie-a-647365.html ,07.09.2009



Reichardt, Hans-Ulrich ; Drillet, Jean-Francois; Enders, Frank: Das Batteriesystem Zink/Luft, https://www.researchgate.net/publication/268612734_Das_Batteriesystem_Zi nkLuft , April 2014



Separator (Batterie); https://de.wikipedia.org/wiki/Separator_(Batterie); 18. April 2020



Stamm, Johannes; Münster, Januar 2016, Modellierung und Simulation primärer Zink-Luft-Knopfzellen; Seite 5 5: Der Aufbau von Zink-LuftBatterien; https://www.itwissen.info/Zink-Luft-Batterie-zinc-air-battery.html



Stamm, Johannes; Münster, Januar 2016, Modellierung und Simulation primärer Zink-Luft-Knopfzellen; Seite 5



Tahil, William, The Trouble with Lithium, http://web.archive.org/web/20090222074648/http://www.evworld.com/library/lithium_shortage.pdf , Dezember, 2006



Wikipedia, Zinc-Air-Batteries, https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc %E2%80%93air_battery#History, o.J.



Wikipedia, Zink, https://de.wikipedia.org/wiki/Zink , o.J.



Wikipedia, Zink-Luft-Batterie; https://de.wikipedia.org Zink-Luft-Batterie



Wikipedia, Zink-Luft-Batterie; https://de.wikipedia.org; 27. April 2020

Erklärung

Wir erklären, dass wir die Kleine Hausarbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt haben....