• Wiederholung

    Was ist zu tun?

    Bevor es losgeht - kannst du die genannten Begriffe richtig erklären? Falls nicht, schlage noch einmal in deinem Chemie-Buch oder bei den Lösungen nach. Der Lernpfad fällt dir leichter, wenn du bestimmte Grundbegriffe kennst. Falls du keine Schwierigkeiten hast, kannst du diese Seite überspringen.

    • Batterie

    • Akkumulator (kurz Akku)

    • Elektrischer Strom

    • Physikalische Stromrichtung

    • Elektrolyt

    • Anode

    • Kathode

  • Start

    Einführung

    Du bist Anfang der 1990er Jahre Forschungsleiter/in einer Firma, die Batterien und Akkus herstellt. Ihr arbeitet an der Entwicklung eines gänzlich neuen Akku-Typs für mobile Geräte. Die bisherigen Typen sind zu schwer und nicht leistungsfähig genug. Ihr seid erst in den Anfängen.

    Euer Stand:

    • Der Akku soll auf Lithium basieren. Es steht in der Spannungsreihe ganz unten. Somit ist es ein sehr starkes Reduktionsmittel und will Elektronen abgeben.

    • Allerdings ist metallisches Lithium sehr reaktiv. Ihr arbeitet dagegen mit Lithium-Ionen, die zwischen den Elektroden hin und her wandern und sich in die Elektrodenmaterialien einlagern können.

    • Der Elektrolyt muss zum einen fähig sein, Lithium-Ionen zu lösen. Er muss daher polar sein. Zum anderen darf der Elektrolyt kein Wasser enthalten. Wegen der stark reduzierenden und oxidierenden Materialien im Akku kann es zur Bildung von Wasserstoff kommen. Gesucht ist also ein aprotisches, polares Lösemittel.

    • Als Stromleiter dienen Metalle wie Kupfer und Aluminium.

  • Basis1

    Aufbau - Teil 1

    Da werden euch vertrauliche Unterlagen der Konkurrenz zugespielt. Sie zeigen, dass die andere Firma ebenfalls einen neuartigen Akku entwickelt.

     Entladen

    Abb. 1: Vorgänge der Entladung im Lithium-Ionen-Akku (schematische Darstellung)

     

    Was ist zu tun?

    Welche chemischen Rückschlüsse zum Aufbau kannst du aus der Skizze entnehmen?

     

  • Basis2

    Aufbau - Teil 2

    Die Geschäftsleitung will in einem kurzen Vortrag von dir auf den aktuellen Stand gebracht werden. Du arbeitest aktuell daran, die Interkalation zu erläutern. Die Grafik-Abteilung schickt dir zwei Grafiken.

    Pluspol                     Minuspol

    Abb. 2a+b: Einlagerung von Lithium-Ionen am Minuspol und Pluspol

     

    Du hast bereits einige wenige Notizen:

    • Interkalation: lateinisch, intercalare (= einschieben); Einschiebeverbindung; reversibel

    • Chemie: Kleinere Moleküle (Ionen, Atome) sind Gast; Wirt ist schichtartig aufgebaut

    • An Plus- und Minuspol unterschiedliche Wirte

     

    Was ist zu tun?

    Erstelle mit Hilfe der Grafiken und der Textbausteine eine kurze Beschreibung der Interkalation.

  • Basis3

    Aufbau - Teil 3

    Aufgrund deiner Fachkenntnis hast du zugesagt, einen kleinen Beitrag über den Lithium-Ionen-Akku für ein Chemie-Schulbuch zu schreiben. Die Reaktionsgleichung für das Entladen hast du schon fertig.

    Minuspol
    LiC6*   ->   6 C   +   Li+   +   e-

    Pluspol
    2 Li0.5CoO2   +   Li+   +   e-   ->   2 LiCoO2*

     

    Was ist zu tun?

    Beschreibe die Vorgänge am Plus- und Minuspol während des Entladens bzw. Ladens. Greife dabei auf die Ergebnisse von Teil 1 und 2 zum Aufbau zurück. Formuliere auch die Reaktionsgleichung und eine schematische Darstellung für das Laden.

    Berücksichtige dabei: Lithiumcobaltdioxid kann maximal 50 % des Lithiums abgeben, daher entsteht nur lithiumarmes Lithiumcobaltdioxid (Li0.5CoO2, nicht CoO2). Einlagerungsverbindungen hast du zur besseren Unterscheidung mit einem Sternchen gekennzeichnet.

     

  • Ergänzung1*

    Der Chemie auf der Spur *

    Ihr seid in der Firma ein großes Stück vorangekommen und seid nun an dem Punkt, wo es um die Eignung verschiedener Substanzen für Elektrodenmaterialien und Lösemittel geht.

    Was ist zu tun?

    Die unten genannten Substanzen werden häufig in Lithium-Ionen-Akkus als Elektrodenmaterial, Lösungsmittel oder Leitsalz eingesetzt. Informiere dich in Gefahrstoffdatenbanken hinsichtlich ihrer Sicherheit. Welche Komponenten sind besonders gefährlich, falls der Akku beschädigt und/oder stark erhitzt werden sollte?

    Gut geeignet ist die GESTIS-Stoffdatenbank. Es handelt sich dabei um das Gefahrstoffinformationssystem der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung. Die CAS-Nummer hilft dir bei der Suche.

    www.dguv.de/ifa/stoffdatenbank

     

    Substanz

    CAS-Nr.

    Verwendung

    Gefahrenhinweise

    Lithiumcobaltdioxid,
    Lithium-Cobalt(III)-oxid

    12190-79-3

    Elektrodenmaterial

     

    Graphit

    7782-42-5

    Elektrodenmaterial

     

    Ethylencarbonat

    96-49-1

    Lösungsmittel

     

    Propylencarbonat

    108-32-7

    Lösungsmittel

     

    Dimethylcarbonat

    616-38-6

    Lösungsmittel

     

    Diethylcarbonat

    105-58-8

    Lösungsmittel

     

    Ethylmethylcarbonat

    623-53-0

    Lösungsmittel

     

    Lithiumhexafluoro­phosphat

    21324-40-3

    Leitsalz

     

  • Ergänzung2*

    Vorteile (E) *

    Deine Firma hat es geschafft. Ein Prototyp ist fertig. Du willst in einer Präsentation einige wesentliche Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus vorstellen. Dein Kollege hat einen fertigen Text, allerdings in englischer Sprache.

    Was ist zu tun?

    Versuche den Text zunächst alleine oder in Partnerarbeit zu übersetzen. Mit Hilfe der Übersetzungshilfe schaffst du es ohne Online-Übersetzer.

     About Lithium-ion batteries:

    • They are lightweight. So they are suitable for mobile devices like mobile phones, laptops and tablets.

    • They have a high energy density. That is the amount of energy stored per volume.

    • They have a low self-discharge. That means they hold their charge.

    • They have no memory effect. No complete discharge is needed before recharging.

     

    Übersetzungshilfe:

    battery - hier im engeren Sinne für Akku benutzt

    energy density - Energiedichte

    charge - Ladung

    self-discharge - Selbstentladung

    memory effect - Memory-Effekt

     

  • Ergänzung3*

    Einsatz im Alltag *

    Das Zwanzigjährige Jubiläum des Lithium-Ionen-Akkus steht kurz bevor. Deine Firma hat maßgeblich an der Entwicklung mitgearbeitet. Eine Broschüre soll Entstehen und die Werbeabteilung bittet dich um Hinweise, wo mittlerweile im Alltag die Akkus eingesetzt werden.

    Was ist zu tun?

    Schaue dich in der Schule und zu Hause um. In welchen Geräten werden Lithium-Ionen-Akkus als Energiequelle eingesetzt? Du darfst gerne Fotos machen.

    Hinweis: Falls die Geräte verschlossen sind, bitte nicht mit Gewalt öffnen.

    Richtige Handhabung *

    Die Abteilung, die für die Anleitung und Warnhinweise zum Lithium-Ionen-Akku zuständig ist, ruft bei dir an. Die folgenden Hinweise zum richtigen Umgang mit dem Lithium-Ionen-Akku sollen in die Anleitung für ein Laptop aufgenommen werden. Die Kollegen brauchen aber noch mehr Informationen.

    • Nicht auseinanderbauen, nicht fallen lassen, nicht mechanisch beanspruchen.

    • Nicht hohen Temperaturen aussetzen (zum Beispiel Sonneneinstrahlung oder Feuer).

    • Nicht in Flüssigkeiten tauchen oder Regen aussetzen.

    Was ist zu tun?

    Erkläre den Kollegen kurz und in eigenen Worten, was aus chemischer Sicht passieren kann, wenn der Akku beschädigt, erhitzt oder nass wird. Welcher Bestandteil des Akkus kann einen Brand fördern?

  • Ergänzung4*

    Wir rechnen - Teil 1: Aufgabe zum Ladevorgang *

    Ihr habt in der Forschungsabteilung eine Auszubildende (Chemikant/in). Heute geht es um das Rechnen in der Chemie. Du hast noch zwei fertige Aufgaben gefunden, die du ihr gerne geben möchtest. Leider sind die Lösungen verschwunden.


    Was ist zu tun?

    Löse die folgende Aufgabe Aufgabe zum Ladevorgang.

    Schau dir die folgende Reaktionsgleichnung für den Ladevorgang am Minuspol an. Daraus geht hervor, dass für die Aufnahme einer bestimmten Menge Lithium-Ionen eine bestimmte Menge Kohlenstoff erforderlich ist.


    • Ermittle die Molaren Massen von Lithium und Kohlenstoff (in g/mol).

    • Wie groß sind die jeweils umgesetzten Stoffmengen für beide Substanzen (in mol)?

    • Bestimme für beide Substanzen die umgesetzten Massen (in g). Gehe von einer Stoffmenge für Lithium von 1 mol aus.

     

    6 C + Li+ + e-  ->  LiC6*

     

     

    Molare Masse M (g/mol)

    Stoffmenge n (mol)

    Masse m (g)

    Lithium

     

     

     

    Kohlenstoff

     

     

     

     

     

    Wir rechnen - Teil 2: Aufgabe zum Entladevorgang *

    Was ist zu tun?

    Löse die zweite Aufgabe Aufgabe, diesmal zum Entladevorgang.

    Die folgende Reaktionsgleichnung gilt für den Entladevorgang am Pluspol. Daraus geht hervor, dass für die Aufnahme einer bestimmten Menge Lithium-Ionen eine bestimmte Menge Cobaltoxid erforderlich ist.

    Wichtig: Lithiumcobaltdioxid kann maximal 50 % des Lithiums abgeben, daher entsteht nur lithiumarmes Lithiumcobaltdioxid (Li0.5CoO2, nicht CoO2).


    • Ermittle die Molaren Massen von Lithium und lithiumarmen Lithiumcobaltdioxid (in g/mol).

    • Wie groß sind die jeweils umgesetzten Stoffmengen für beide Substanzen (in mol)?

    • Bestimme für beide Substanzen die umgesetzten Massen (in g). Gehe von einer Stoffmenge für Lithium von 1 mol aus.

     

    2 Li0.5CoO2   +   Li+   +   e-   ->   2 LiCoO2

     

     

    Molare Masse M (g/mol)

    Stoffmenge n (mol)

    Masse m (g)

    Lithium

     

     

     

    lithiumarmes Lithium-cobaltdioxid (Li0.5CoO2)

     

     

     

     

     

  • Quiz

    Zur Lernkontrolle stehen zur Verfügung:

    Kreuzworträtsel zum Lithium-Ionen-Akku (einfach):
    http://mediathek.bildung.hessen.de/material/chemie/alltag/Lernpfad_Li_Ionen_Akku/quiz1.html

    Arbeitsblatt (Lückentext) zum Lithium-Ionen-Akku (schwieriger):
    http://mediathek.bildung.hessen.de/material/chemie/alltag/Lernpfad_Li_Ionen_Akku/quiz2.html

  • Zusatz1*

    Zeitschriftenartikel Nr. 1 *

    Lithium-Ionen-Batterie - Ein Kraftpaket mit Zukunft.

    Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Gefahren, die von Lithium-Ionen-Akkus ausgehen können.

    Was ist zu tun?

    Lese den unten genannten Zeitschriftenartikel und beantworte die beiden folgenden Fragen:

    • Welche Gefahren gehen bei der Verwendung von Lithium in Lithium-Ionen-Akkus aus?

    • Welche Maßnahmen werden getroffen, um diese Gefahren zu vermeiden?

     

    Uta Bilow: Lithium-Ionen-Batterie - Ein Kraftpaket mit Zukunft. F.A.Z., 05.12.2007, Nr. 283 / Seite N1.
    URL: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/lithium-ionen-batterie-ein-kraftpaket-mit-zukunft-1492884.html

  • Zusatz2*

    Zeitschriftenartikel Nr. 2 (E) *

    Lithium-Ion Batteries: A Clean Source of Energy?

    Der folgende englischsprachige Text gibt eine fingierte Diskussion zum Lithium-Ionen-Akku wieder.

    Was ist zu tun?

    1. Lese den Text gründlich.
    2. Erstelle ein Mindmap, das die wesentlichen Aspekte des Textes wiedergibt.
    3. Beschreibe in eigenen Worten, wie Lithium gewonnen wird.

    B. Sitzman, R. Goode: Lithium-Ion Batteries: A Clean Source of Energy?. Chemmatters 5 (2011).
    Download: http://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/lithiumionbatteries/open-for-discussion-lithium-ion-batteries.pdf.

     

  • Lehrerinfo

    Informationen für Lehrerinnen und Lehrer

    Lithium-Ionen-Akkus sind heute eine beliebte Energiequelle für Laptops, Handys, Smartphones und viele andere mobile Geräte. Dieser Lernpfad zeigt Schülerinnen und Schülern, wie Lithium-Ionen-Akkus aufgebaut sind, welche Eigenschaften sie haben, wofür sie eingesetzt werden und wie man richtig mit Ihnen umgeht.

    Das Material ist umfangreich. Um nicht den Überblick zu verlieren, sind die Ergänzungen und Zusatzmaterialien mit einem Sternchen gekennzeichnet (das heißt, die drei wichtigen Basis-Seiten zum Aufbau und chemischen Hintergrund sind ohne Sternchen).

    Inhaltsverzeichnis
    Der Lernpfad umfasst folgende Seiten:

    • Wiederholung (wichtiger Grundbegriffe)    
    • Start (Einführung)
    • Basis 1: Aufbau
    • Basis 2: Interkalation
    • Basis 3: Reaktionsgleichungen
    • Ergänzung 1*: Der Chemie auf der Spur
    • Ergänzung 2*: Vorteile (englisch)
    • Ergänzung 3*: Einsatz im Alltag; Richtige Handhabung
    • Ergänzung 4*: Wir rechnen (Aufgaben zum Lade- und Entladevorgang)
    • Quiz: Kreuzworträtsel und Arbeitsblatt
    • Zusatz 1*: Zeitschriftenartikel
    • Zusatz 2*: Zeitschriftenartikel
    • Lehrerinfo: (diese Seite)
    • Lösungen

     

    Hinweise

    Dieser Lernpfad behandelt das Thema Lithium-Ionen-Akku. Er richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II, die sich im Rahmen des Faches Chemie weitgehend selbstständig einarbeiten möchten. Selbstverständlich steht er auch sonst allen offen, die sich für das Thema interessieren.

    Für den Basis-Teil werden etwa zwei bis drei Stunden benötigt. Kommen weitere Zusatz- und Erweiterungsmaterialien hinzu, dürfte die Gesamtdauer bis zu sechs Stunden betragen.

    Um den Lernpfad zu bearbeiten, benötigt man einen PC/Laptop mit Internetzugang und einem Browser. Ein bestimmtes Betriebssystem ist nicht erforderlich.

    Falls aufgrund des Lernstands erforderlich, können zu Beginn Grundbegriffe wie Akku und Batterie wiederholt werden. Die Schülerinnen und Schüler beginnen mit der Seit Start, die eine kurze Einführung gibt. Sie schlüpfen in die Rolle eines Forschungsleiters/-leiterin. Aufgabe ist es, einen neuen Akku-Typ für mobile Geräte zu entwickeln. Auf den folgenden drei Basis-Seiten werden grundlegende Kenntnisse zum Aufbau erworben. Die Zusatz- und Erweiterungsmaterialien vertiefen und ergänzen das Gelernte. Eine Lernkontrolle kann am besten mit dem Arbeitsblatt (Lückentext) erfolgen, das online bearbeitet wird.

    Besonderen Wert wurde bei der Erstellung des Lernpfads auf den Alltagsbezug gelegt. Viele Schülerinnen und Schüler nutzen Laptops, Handys und Tablets, die Lithium-Ionen-Akkus als Energiequelle verwenden. Neben dem Einsatz in der Alltagswelt wird zudem die richtige Handhabung behandelt. Ein kurzer englischsprachiger Text ermöglicht einen "Blick über den Zaun" und zeigt, dass Akkus nicht nur in Deutschland eingesetzt werden und daher auch in anderen Ländern Gegenstand des Unterrichts sind.

    Der Lernpfad richtet sich gleichermaßen an Schülerinnen wie Schüler. Zum einen wurde auf sprachlicher Ebene darauf geachtet, geschlechterspezifische Formulierungen (wie zum Beispiel Schülerinnen wie Schüler) zu verwenden, wenn beide Gruppen angesprochen werden sollen. Zum anderen wurde auf inhaltlicher Ebene ein Ansatz gewählt, sich nicht aus rein technischer Sicht dem Thema zu nähern, sondern in die lebensnahe Rolle eines Forschungsleiters / einer Forschungsleiterin zu schlüpfen.

     

    Didaktische Reduktion

    Um das Thema Lithium-Ionen-Akku für Schülerinnen und Schüler zugänglich zu machen, war eine umfangreiche didaktische Reduktion erforderlich.

    Der Aufbau wird reduziert auf zwei Elektroden, den Elektrolyt und einen Separator. Vernachlässigt wird die Kombination zu Zellen sowie deren Schaltung einschließlich der Schutzmechanismen. Aus der Vielzahl der aktuell eingesetzten Substanzen für die Komponenten wird sich auf die gängigen Elektrodenmaterialien Graphit und Lithiumcobaltoxid beschränkt. Deren Struktur wird schematisch auf parallel ausgerichtete Schichten reduziert, in denen sich bei der Interkalation kugelförmige Lithium-Ionen einlagern können.

    Fachlich richtig wiedergegeben sind die Reaktionsgleichungen. Eine besondere Schwierigkeit dürfte sein, dass Lithiumcobaltdioxid nur maximal 50 % des Lithiums abgeben kann. Daher entsteht nur lithiumarmes Lithiumcobaltdioxid, nicht Cobaltoxid. Falls dies für die Lerngruppe zu schwierig sein sollte, kann vereinfacht angenommen werden, dass Lithiumcobaltdioxid alle Lithium-Ionen abgibt. Für den Fall, dass Teile des Lernpfads in der Sekundarstufe I behandelt werden, können die Reaktionsgleichungen auch zu Wortgleichungen reduziert werden.
     

    Literatur

    R. Korthauer: Handbuch Lithium­-Ionen­.Batterien. Springer (Berlin 2013).
    Aktuelle, empfehlenswerte und verständliche Einführung für alle, die sich intensiver mit dem Thema beschäftigen möchten.

    Uta Bilow: Lithium-Ionen-Batterie - Ein Kraftpaket mit Zukunft. F.A.Z., 05.12.2007, Nr. 283 / Seite N1.
    URL: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/lithium-ionen-batterie-ein-kraftpaket-mit-zukunft-1492884.html

    B. Sitzman, R. Goode: Lithium-Ion Batteries: A Clean Source of Energy?. Chemmatters 5 (2011).
    Download: http://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/lithiumionbatteries/open-for-discussion-lithium-ion-batteries.pdf.

    Weitere empfehlenswerte Literatur

    B. Ketterer, U. Karl, D. Möst, S. Ulrich: Lithium-Ionen Batterien - Stand der Technik und Anwendungspotenzial in Hybrid-, Plug-In Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Forschungszentrum Karlsruhe 2009. Download: http://bibliothek.fzk.de/zb/berichte/FZKA7503.pdf.
    Gute Übersicht über Grundlagen und praktische Anwendungen

    W. Dierks, H. Vennemann: Lithium-Batterien. CHEMKON 12/1 (2005) 7-14.
    M. Oetken et al.: Lithiumionenakkus für den Chemieunterricht. Nachrichten aus der Chemie 61 (2013) 876-881.
    Die Publikationen von Vennemann und Oetken richten sich an Chemielehrer/innen und zeichnen sich durch zahlreiche neue Versuchsbeschreibungen aus.

     

    Kontakt mit Autor

    Für Fragen und Anregungen stehe ich gerne zur Verfügung.
    E-Mail an Dr. Stefan Horn: bs@fam-horn.de

     

  • Lösungen

    Wiederholung: Wiederholung wichtiger Grundbegriffe

    Batterie

    Wandelt chemische in elektrische Energie um. Sie kann nicht wieder aufgeladen werden. Man bezeichnet sie als Primärelement (im Englischen primary, single-use battery). Beispiele sind die Alkali-Mangan- oder die Zink-Luft-Batterie.

    Akkumulator (kurz Akku)

    Gibt elektrische Energie auf Basis chemischer Vorgänge ab (Entladen). Diese lassen sich durch Zufuhr von elektrischer Energie umkehren (Laden). Man nennt den Akku auch Sekundärelement (im Englischen secondary, rechargeable battery). Beispiele sind der Blei-Akku und der Nickel-Metallhydrid-Akku.

    Elektrischer Strom

    Gezielte Verschiebung von Ladungsträgern (Ionen, Elektronen).

    Physikalische Stromrichtung

    Die Elektronen bewegen sich um negativen Minuspol zum positiven Pluspol.

    Elektrolyt

    Chemische Verbindung mit Ionen, die elektrischen Strom leitet (z.B. eine Salzlösung).

    Anode

    Elektrode, an der Oxidationsreaktionen ablaufen (es werden Elektronen abgegeben).

    Kathode

    Elektrode, an der Reduktionsreaktionen ablaufen (es werden Elektronen aufgenommen).

     

    Basis 1: Aufbau - Teil 1

    Der Lithium-Ionen-Akku ähnelt im Grundaufbau anderen Akkus. Er besitzt einen Plus- und Minuspol.

    Am Minuspol werden Elektronen abgegeben. Diese fließen über ein Kabel zur anderen Elektrode. Es gibt also einen Stromfluss. Daher muss es sich um den Entladevorgang handeln.

    Der Stromfluss beruht auf chemischen Vorgängen.

    Am Minuspol werden im Innern Lithium-Ionen abgegeben. Diese wandern vom Minuspol zum Pluspol.

    Wenn die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten wandern, müssen sie den Separator passieren. Der Separator ist üblicherweise eine poröse Wand, die zum einen die Elektroden voneinander trennt und so eine Kurzschluss verhindert; zum anderen ist sie für Lithium-Ionen durchlässig und erlaubt so den Ladungsausgleich.


    Basis 2: Aufbau - Teil 2

    Im Lithium-Ionen-Akku findet sowohl am Plus- als auch am Minuspol eine Interkalation von Lithium-Ionen statt. Der Begriff Interkalation geht auf das lateinische Verb intercalare zurück, das heißt einschieben. Daher nennt man das Produkt auch Einschiebeverbindung.

    Kleine Moleküle, wie Ionen oder Atome, sind der Gast. Der Wirt sind große, schichtartig aufgebaute Moleküle wie Cobaltoxid (Pluspol) oder Graphit (Minuspol). Der Gast setzt sich in die Lücken des Wirtes. Der Vorgang ist reversibel, also rückgängig. Die Gast-Moleküle können den Wirt wieder verlassen.


    Basis 3: Aufbau - Teil 3

    Ein Lithium-Ionen-Akku kann elektrische Energie speichern und dann abgeben, wenn sie wieder benötigt wird. Diese Art von Akkus finden sich zum Beispiel in Laptops oder Handys.

    Das Speichern der Energie beruht auf chemischen Vorgängen. Neu wird für dich sein, dass die Elektrodenmaterialien Lithium-Ionen einlagern können. Man nennt dies Einlagerungsverbindung (Interkalation).

    Fangen wir mit dem Entladen an, also dem Vorgang der passiert, wenn du dein Handy benutzt. Der Minuspol besteht aus Graphit (C). Dort sind Lithium-Ionen (Li+) eingelagert. In der Reaktionsgleichung findest du LiC6*. Die Lithium-Ionen werden abgegeben und wandern durch den Elektrolyten zum Pluspol. Das ist wichtig für den Ladungsausgleich. Denn zeitgleich werden ebenfalls Elektronen (e-) abgegeben. Die Elektronen bewegen sich vom Minuspol zum Pluspol - jetzt fließt also elektrischer Strom.

    Der Pluspol besteht aus lithiumarmen Lithiumcobaltdioxid (Li0.5CoO2). Dieses Elektrodenmaterial kann, obwohl schon Lithium-Ionen da sind, noch weitere aufnehmen. Es bildet sich Lithiumcobaltdioxid (LiCoO2*). Für die Aufnahme werden Elektronen benötigt (die ursprünglich vom Minuspol stammen).


    Reaktionsgleichungen für das Entladen des Akkus

    Minuspol
    LiC6*   ->   6 C   +   Li+   +   e-

    Pluspol
    2 Li0.5CoO2   +   Li+   +   e-   ->   2 LiCoO2*


    Schematische Darstellung des Entladens

    Entladen


    Nach einer bestimmten Zeit, wenn am Minuspol alle Lithium-Ionen abgegeben sind bzw. wenn am Pluspol keine mehr aufgenommen werden können, fließt kein elektrischer Strom mehr. Der Akku muss nun aufgeladen werden. Zum Laden verbindest du dein Laptop oder Handy über das Ladegerät mit der Steckdose. Nun finden die umgekehrten Vorgänge statt.

    Am Pluspol werden vom Lithiumcobaltdioxid Lithium-Ionen abgegeben. Diese wandern durch den Elektrolyten zum Minuspol und lagern sich in das Graphit ein. Es bildet sich wieder die Graphiteinlagerungsverbindung LiC6*. Der Akku kann nun erneut elektrischen Strom liefern.


    Reaktionsgleichungen für das Laden des Akkus

    Pluspol
    2 LiCoO2*   ->   2 Li0.5CoO2   +   Li+   +   e-

    Minuspol
    6 C   +   Li+   +   e-   ->   LiC6*


    Schematische Darstellung des Ladens

    Laden

     

    Ergänzung 1: Der Chemie auf der Spur

    Eine besondere Gefahr geht von (leicht)entzündbaren Lösemitteln aus, falls der beschädigt oder stark erhitzt wird.

     

    Substanz

    CAS-Nr.

    Verwendung

    Gefahrenhinweise

    Lithiumcobaltdioxid,
    Lithium-Cobalt(III)-oxid

    12190-79-3

    Elektrodenmaterial

    Kann vermutlich Krebs erzeugen. Kann allergische Hautreaktionen verursachen.

    Graphit

    7782-42-5

    Elektrodenmaterial

    -

    Ethylencarbonat

    96-49-1

    Lösungsmittel

    Verursacht schwere Augenreizung.

    Propylencarbonat

    108-32-7

    Lösungsmittel

    Verursacht schwere Augenreizung.

    Dimethylcarbonat

    616-38-6

    Lösungsmittel

    Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar.

    Diethylcarbonat

    105-58-8

    Lösungsmittel

    Flüssigkeit und Dampf entzündbar.

    Ethylmethylcarbonat

    623-53-0

    Lösungsmittel

    Flüssigkeit und Dampf entzündbar. Verursacht Hautreizungen. Verursacht schwere Augenreizung. Kann die Atemwege reizen.

    Lithiumhexafluoro­phosphat

    21324-40-3

    Leitsalz

    Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

     

    Ergänzung 2: Vorteile

    Über Lithium-Ionen-Akkus:

    • Sie sind leicht. Sie eignen sich daher für Mobiltelefone (Handys), Laptops und Tablets.

    • Sie haben eine hohe Energiedichte. Das ist die Menge an gespeicherter Energie pro Volumen [des Akkus].

    • Sie haben eine niedrige Selbstentladung. Das heißt, sie behalten die gespeicherte Ladung[smenge].

    • Sie haben keinen Memory-Effekt. Vor dem Aufladen ist es nicht erforderlich, den Akku komplett zu leeren.


    Ergänzung 3: Einsatz im Alltag

    Aufgrund ihrer hohen Energiedichte werden Li-Ionen-Akkus vor allem für mobile Geräte eingesetzt. Dazu gehören zum Beispiel Laptops/Notebooks, Mobiltelefone/Handys, Tablets, Werkzeuggeräte und Elektrofahrräder.

     

    Ergänzung 3: Richtige Handhabung

    Durch das Fallenlassen oder sonstige mechanische Beanspruchung kann das Gehäuse beschädigt werden. Gesundheitsschädliche oder leichtentzündliche Bestandteile können austreten.

    Aufgrund der Lösemittel dürfen Akkus nicht stark erhitzt werden. Durch die zugeführte Wärme verdampft das Lösemittel und es besteht Explosionsgefahr. Lithiumcobaltoxid enthält Sauerstoff, der bei großer Hitze frei wird und den Brand fördert.

    Aus diesen Gründen darf der Akku nicht nass werden. Das kann zu einem Kurzschluss führen, durch den sich der Akku stark erhitzt.

     

    Ergänzung 4: Wir rechnen - Teil 1: Aufgabe zum Ladevorgang

    Für die molare Masse M (g/mol), die Stoffmenge n (mol) und die Masse m (g) gilt folgende Beziehung:

    M = m / n

    m = n * M

     

     

    Molare Masse M (g/mol)

    Stoffmenge n (mol)

    Masse m (g)

    Lithium

    7

    1

    7

    Kohlenstoff

    12

    6

    72

    Es werden 72 g (6 mol) Kohlenstoff benötigt, um 7 g (1 mol) Lithium-Ionen aufzunehmen.

     

    Ergänzung 4: Wir rechnen - Teil 2: Aufgabe zum Entladevorgang

     

     

    Molare Masse M (g/mol)

    Stoffmenge n (mol)

    Masse m (g)

    Lithium

    7

    1

    7

    lithiumarmes Lithium-cobaltdioxid (Li0.5CoO2)

    94

    2

    188

    Es werden 188 g (2 mol) Cobaltoxid (Li0.5CoO2) benötigt, um 7 g (1 mol) Lithium-Ionen aufzunehmen.

     

    Quiz: Kreuzworträtsel

    AKKU Kurzform von Akkumulator
    ION Geladenens Atom oder Molekül
    ELEKTRON Negativ geladenes Elementarteilchen
    INTERKALATION Einlagerung von Ionen in große Moleküle
    ELEKTROLYT Darin wandern die Ionen zwischen den Polen
    CHEMIE Naturwissenschaft vom Aufbau und Eigenschaften der Stoffe
    ALKALIMETALLE Erste Hauptgruppe im Periodensystem
    LITHIUM Ein Alkalimetall
    STROM Gerichtete Bewegung von Elektronen oder Ionen
    GRAPHIT Findet sich im Bleistift und im Akku
    SEPARATOR Poröse Trennwand zwischen den Polen
    LADEN Dafür braucht der Akku Strom

     

    Quiz: Arbeitsblatt

    (1) Akku

    (2) chemischen

    (3) mobile

    (4) Plus- und Minuspol

    (5) Lithiumcobaltdioxid

    (6) Graphit

    (7) Interkalation

    (8) Lithium-Ionen

    (9) reversibel

    (10) abgegeben

    (11) Elektronen

    (12) Aufnahme

    (13) umgekehrten

    (14) Pluspol

    (15) Graphit

     

    Zusatz 1: Lithium-Ionen-Batterie - Ein Kraftpaket mit Zukunft.

    Welche Gefahren gehen bei der Verwendung von Lithium in Lithium-Ionen-Akkumulatoren aus?

    Wenn der Akku überladen oder beschädigt wird, kann im schlimmsten Fall eine exotherme Kettenreaktion einsetzen. Aufgrund der freiwerdende Wärme verdampft das organische Lösemittel des Elektrolyten. Dieser reagiert daraufhin mit dem Graphit der Anode und dem Metalloxid der Kathode. Dabei wird Sauerstoff frei, der die Verbrennung sowohl des Elektrolyten als auch des Lithiums fördert. Solche Brände sind daher schwierig zu löschen.

    Welche Maßnahmen werden getroffen, um diese Gefahren zu vermeiden?

    Es werden Ventile eingebaut, die für einen gezielten Druckabfall sorgen, falls das Lösemittel verdampft oder aufgrund eines beginnenden Brandes andere gasförmige Reaktionsprodukte entstehen.

    Außerdem werden PTC-Widerstände(Kaltleiter) eingesetzt, die bei hohen Temperaturen den Strom schlechter leiten, weil sich der elektrische Widerstand erhöht.Es wird also der Stromfluss unterbrochen.

    Weiterhin stehen Polyethylen haltige Shotdown-Separatoren zur Verfügung. Einerseits muss ein Separator die Elektroden voneinander isolieren, andererseits durchlässig für Ionen sein. Im Falle eines Brandes schmilzt der Kunststoff und unterbindet auf diese Weise den Ionenfluss.

     

    Zusatz 2: Lithium-Ion Batteries: A Clean Source of Energy?

    Vorschlag für ein Mindmap

    Mindmap zum Lithium


     

    Gewinnung von Lithium

    Salzlösungen, welche Lithium enthalten, werden eingedampft. Das Wasser verdampft, zurück bleiben Lithium-Salze wie Lithiumchlorid und Lithiumcarbonat.

    Reines Lithium wird durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Bei dem Prozess werden Lithium-Ionen zu metallischem Lithium reduziert.

    Im Text wird nicht erwähnt, dass bei der Schmelzflusselektrolyse ein eutektisches Gemisch aus Lithiumchlorid und Kaliumchlorid eingesetzt wird. Als Nebenprodukt entsteht Chlor.


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