Zur Haupt­na­vi­ga­ti­on sprin­gen [Alt]+[0] Zum Sei­ten­in­halt sprin­gen [Alt]+[1]

Bat­te­ri­en und Ak­ku­mu­la­to­ren

In­fo­box

Diese Seite ist Teil einer Ma­te­ria­li­en­samm­lung zum Bil­dungs­plan 2004: Grund­la­gen der Kom­pe­tenz­ori­en­tie­rung. Bitte be­ach­ten Sie, dass der Bil­dungs­plan fort­ge­schrie­ben wurde.

Hin­weis

Es wird dar­auf hin­ge­wie­sen, dass für jedes Ex­pe­ri­ment ent­spre­chend der ei­ge­nen Durch­füh­rung vor der erst­ma­li­gen Auf­nah­me der Tä­tig­keit eine Ge­fähr­dungs­be­ur­tei­lung durch­ge­führt und do­ku­men­tiert wer­den muss. Jede fach­kun­di­ge Nut­ze­rin/jeder fach­kun­di­ge Nut­zer muss die auf­ge­führ­ten In­hal­te ei­gen­ver­ant­wort­lich prü­fen und an die tat­säch­li­chen Ge­ge­ben­hei­ten an­pas­sen.

Weder die Re­dak­ti­on des Leh­rer­fort­bil­dungs­ser­vers noch die Au­to­rin­nen und Au­to­ren der ver­öf­fent­lich­ten Ex­pe­ri­men­te über­neh­men jeg­li­che Haf­tung für di­rek­te oder in­di­rek­te Schä­den, die durch ex­ak­ten, ver­än­der­ten oder feh­ler­haf­ten Nach­bau und/oder Durch­füh­rung der Ex­pe­ri­men­te ent­ste­hen. Wei­ter­füh­ren­de In­for­ma­tio­nen er­hal­ten Sie unter www.​gef​ahrs​toff​e-​schu­le-​bw.​de

Für diese Dop­pel­stun­de im zwei­stün­di­gen Fach müs­sen in An­be­tracht der Viel­falt ak­tu­el­ler Bat­te­ri­en und Ak­ku­mu­la­to­ren ei­ni­ge ex­em­pla­risch aus­ge­wählt wer­den.
Die Au­to­ren ent­schie­den sich für die klas­si­sche Va­ri­an­te:

  • die Ta­schen­lam­pen­bat­te­rie (Le­clanché-Ele­ment) und den
  • Blei­ak­ku­mu­la­tor.

Dafür spre­chen meh­re­re Grün­de:

  1. Beide be­sit­zen, ob­wohl im Prin­zip schon über 150 Jahre alt, noch heute einen hohen Ak­tua­li­täts­be­zug und weite Ver­brei­tung.
  2. An den bei­den Sys­te­men sind die Grund­prin­zi­pi­en einer Bat­te­rie und eines wie­der­auf­lad­ba­ren Ak­ku­mu­la­tors ex­pe­ri­men­tell leicht er­schließ­bar . Dies kann beim Le­clanché -Ele­ment im Schü­ler­ver­such er­fol­gen; beim Blei­ak­ku­mu­la­tor ist ein Leh­rer­de­mons­tra­ti­ons­ver­such mög­lich.
  3. Die Elek­tro­den­re­ak­tio­nen sind schwie­ri­ger als bei den bis­her be­spro­che­nen gal­va­ni­schen Ele­men­ten, je­doch im Ge­gen­satz zu an­de­ren Bat­te­ri­en/Ak­ku­mu­la­to­ren über­schau­bar und für Schü­le­rin­nen und Schü­ler des zwei­stün­di­gen Kur­ses er­schließ­bar.
  4. Bei der Be­spre­chung des La­de­vor­gangs des Blei­ak­ku­mu­la­tors kann die Elek­tro­ly­se als er­zwun­ge­ne Re­dox­re­ak­ti­on und Um­keh­rung des frei­wil­lig ab­lau­fen­den Ent­la­de­vor­gangs be­spro­chen wer­den. Eine ver­tief­te Be­hand­lung der Elek­tro­ly­se ist schon hier mit den Ne­ben­re­ak­tio­nen beim Laden („Gasen“ des Blei­ak­kus) mög­lich. Ggf. kann schon auf Vor­wis­sen aus der Mit­tel­stu­fe zu­rück­ge­grif­fen wer­den.
  5. Hier bie­tet auch das ein­ge­führ­te Lehr­buch so viel Ma­te­ri­al, dass In­hal­te zum Teil selbst­stän­dig mit dem Lehr­buch er­schließ­bar sind.
  6. Bei die­sen Elek­tro­den­re­ak­tio­nen bie­tet sich eine gute Ge­le­gen­heit, die Re­dox­re­ak­tio­nen mit Hilfe von Oxi­da­ti­ons­zah­len zu be­schrei­ben. Im Ge­gen­satz zu den vor­her be­spro­che­nen ein­fa­chen Re­dox­re­ak­tio­nen ist hier die­ses Kon­zept wirk­lich sinn­voll.
Versuchsaufbau 1 Abb.1: Prak­ti­kums­ver­such:
Schü­ler­ar­beits­platz zum Bau einer Ta­schen­lam­pen­bat­te­rie (Ver­suchs­an­lei­tung nach Lehr­buch)

Versuchsaufbau 2 Abb.2:
Leh­rer­de­mons­tra­ti­ons­ver­such:
La­de­vor­gang bei einem Blei­ak­ku­mu­la­tor; sicht­ba­res Gasen bei er­höh­ter äu­ße­rer Span­nung

Versuchsaufbau 3 Abb.3:
Zell­span­nung eines ge­la­de­nen Blei­ak­ku­mu­la­tors

Versuchsaufbau 4 Abb.4:
Der Blei­ak­ku­mu­la­tor be­treibt einen Pro­pel­ler­mo­tor;
nach etwa 10 s muss er­neut ge­la­den wer­den.

Bei In­ter­es­se und zur För­de­rung be­son­ders in­ter­es­sier­ter Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen wei­te­re Bat­te­ri­en und Ak­ku­mu­la­to­ren be­ar­bei­tet wer­den. Hier ist bei­spiels­wei­se eine GFS mög­lich. Texte zu Ni­ckel-Cad­mi­um-Ak­ku­mu­la­to­ren, Ni­ckel-Me­tall­hy­drid-Ak­ku­mu­la­to­ren und Li­thi­um-Ionen-Ak­ku­mu­la­to­ren sind in den ak­tu­el­len Lehr­bü­chern ent­hal­ten.
Zur ex­pe­ri­men­tel­len Ver­an­schau­li­chung von Li­thi­um-Bat­te­ri­en eig­net sich ein ein­fa­cher Mo­dell­ver­such, der al­ler­dings nicht ein­fach zu in­ter­pre­tie­ren ist:


V: Bau einer Li­thi­um-Zelle (Mo­dell­ver­such)

Ge­rä­te und Che­mi­ka­li­en :

Pe­tri­scha­le, Rund­fil­ter, Pin­zet­te, Sta­tiv­ma­te­ri­al, Mul­ti­me­ter, Ex­pe­ri­men­tier­ka­bel,
Kro­ko­dil­klem­men, Mi­kro­mo­tor, Mes­ser, Pa­pier­tü­cher.
Kup­fer­blech (recht­wink­lig ge­bo­gen), Gra­phi­t­e­lek­tro­de (evtl. mit Buch­se),
CuSO4-Lö­sung (c = 1 mol·L -1) in Spritz­fla­sche, Li­thi­um,
Gefäß mit Spi­ri­tus-Was­ser-Ge­misch (1:1) für Li-Ab­fäl­le.

Durch­füh­rung: < 1 <

Schema

 

  1. Legen Sie das recht­wink­lig ge­bo­ge­ne Kup­fer­blech (1) auf den Boden der Pe­tri­scha­le und ver­bin­den es über eine Kro­ko­dil­klem­me mit einem Kabel.
  2. De­cken Sie das Kup­fer­blech mit einem pas­send ge­schnit­te­nen Fil­ter­pa­pier (2) ab.
  3. Pi­pet­tie­ren Sie ei­ni­ge Trop­fen Kup­fer­sul­fat-Lö­sung auf das Fil­ter­pa­pier.
  4. Legen Sie mit der Pin­zet­te ein frisch ent­rin­de­tes, gut ab­ge­trock­ne­tes Stück Li­thi­um (3) auf die mit Kup­fer­sul­fat-Lö­sung be­feuch­te­te Stel­le des Fil­ter­pa­piers.
  5. Drü­cken Sie die Gra­phi­t­e­lek­tro­de (4) von oben fest auf das Li-Stück und be­fes­ti­gen Sie diese mit einer Klam­mer am Sta­tiv.
  6. Ver­bin­den Sie den Gra­phit­stab eben­falls mit einem Kabel.
  7. Schlie­ßen Sie das Mul­ti­me­ter (5) an, stel­len Sie den ge­eig­ne­ten Mess­be­reich ein und lesen Sie die Span­nung ab.
  8. Er­set­zen Sie das Mul­ti­me­ter durch den Mi­kro­mo­tor.
Aus­wer­tung:
  • Er­mit­teln Sie die Re­dox­paa­re. For­mu­lie­ren Sie die Re­ak­ti­ons­glei­chun­gen, die in obi­ger Li­thi­um-Zelle bei Strom­ent­nah­me an den Elek­tro­den ab­lau­fen.
  • Für in­dus­tri­ell ge­fer­tig­te Li­thi­um-Zel­len wer­den keine was­ser­hal­ti­gen Elek­tro­lyt-Lö­sun­gen ein­ge­setzt, son­dern spe­zi­el­le or­ga­ni­sche, po­la­re Lö­sungs­mit­tel wie z. B. Ke­to­ne oder Ester.
    Be­grün­den Sie den Sach­ver­halt.
Ent­sor­gung:

Spü­len Sie das Kup­fer­blech gut mit Was­ser.
Geben Sie das Li­thi­um­stück in das Gefäß mit dem Spi­ri­tus-Was­ser-Ge­misch.

1 Ent­nom­men aus: Schü­ler­la­bor Xplo­re, BASF 2006, ver­än­dert.

Bat­te­ri­en und Ak­ku­mu­la­to­ren: Her­un­ter­la­den [doc] [204 KB]

Bat­te­ri­en und Ak­ku­mu­la­to­ren: Her­un­ter­la­den [pdf] [244 KB]