Batterien, Akkumulatoren und feste Elektrolyte
Wie Batterien und Akkumulatoren elektrische Energie chemisch speichern, was beim Laden des Bleiakkumulators an den Elektroden passiert und wie feste Elektrolyte Ionen leiten.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbares Sekundärelement mit reversiblen Elektrodenreaktionen, eine Batterie ist ein nicht aufladbares Primärelement.
- Beim Laden des Bleiakkumulators wird an beiden Elektroden \(\ce{PbSO4}\) abgebaut.
- Beim Laden entsteht an der negativen Elektrode metallisches Pb, an der positiven Elektrode \(\ce{PbO2}\).
- Beim Laden steigt die Schwefelsäurekonzentration, weil Sulfat frei wird und Wasser verbraucht wird.
- Feste Elektrolyte leiten Ionen: Oxidkeramik leitet \(\ce{O^2-}\), eine Polymermembran wie Nafion leitet \(\ce{H+}\).
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Worum es geht
Batterien und Akkumulatoren speichern elektrische Energie als chemische Energie. Sie beruhen auf dem Prinzip des galvanischen Elements. In der Pharmazie begegnen sie dir in jedem Messgerät, und der Bleiakkumulator ist das Standardbeispiel für eine wiederaufladbare Zelle.
Speicherung elektrischer Energie
Eine elektrochemische Zelle liefert Strom, solange ihre Elektrodenreaktion freiwillig abläuft. Ob man sie wieder aufladen kann, hängt davon ab, ob sich diese Reaktion umkehren lässt.
Die Reaktion läuft nur in eine Richtung. Ist der Stoffvorrat verbraucht, ist die Zelle leer. Beispiel: Alkali-Mangan-Zelle.
Die Elektrodenreaktionen sind reversibel. Eine äußere Spannung treibt sie zurück und lädt die Zelle wieder auf.
Beim Entladen arbeitet der Akkumulator als galvanisches Element. Beim Laden arbeitet er als Elektrolysezelle: Die äußere Spannung erzwingt die Rückreaktion.
Bleiakkumulator
Der Bleiakkumulator besteht aus einer Blei-Elektrode und einer Bleidioxid-Elektrode in verdünnter Schwefelsäure. Im entladenen Zustand sind beide Elektroden mit \(\ce{PbSO4}\) bedeckt. Beim Laden wird dieses Bleisulfat an beiden Elektroden abgebaut.
An der negativen Elektrode wird \(\ce{Pb^2+}\) zu metallischem Blei reduziert:
\[\ce{PbSO4 + 2e- -> Pb + SO4^2-}\]
An der positiven Elektrode wird \(\ce{Pb^2+}\) zu \(\ce{Pb^4+}\) oxidiert, es entsteht \(\ce{PbO2}\):
\[\ce{PbSO4 + 2H2O -> PbO2 + SO4^2- + 4H+ + 2e-}\]
Beide Reaktionen setzen Sulfat frei, und die positive Seite liefert zusätzlich Protonen. Zugleich wird Wasser verbraucht. Die Schwefelsäurekonzentration nimmt beim Laden zu, die Dichte der Säure steigt. Beim Entladen läuft alles rückwärts:
\[\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 <=>[Entladen][Laden] 2PbSO4 + 2H2O}\]
Wie die Abbildung zeigt, drückt das Ladegerät Elektronen in die negative Elektrode. Weil die Reaktionen reversibel sind, übersteht die Zelle viele Lade-Entlade-Zyklen.
Laden macht die Platten wieder blank: Aus weißem \(\ce{PbSO4}\) werden graues Blei (minus) und dunkelbraunes \(\ce{PbO2}\) (plus), und die Säure wird stärker.
Feste Elektrolyte
Ein Elektrolyt muss nicht flüssig sein. Ein fester Elektrolyt ist ein Feststoff, der Ionen leitet, Elektronen aber nicht. Die Elektronen nehmen deshalb den Weg über den äußeren Stromkreis.
Oxidkeramiken wie yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid leiten Oxid-Ionen \(\ce{O^2-}\). Sie springen über Sauerstoff-Leerstellen im Kristallgitter. Das gelingt erst bei hoher Temperatur. Man nutzt sie in der Festoxid-Brennstoffzelle und in der Lambdasonde.
Protonenleitende Polymermembranen wie Nafion tragen Sulfonsäuregruppen. In feuchtem Zustand wandern Protonen \(\ce{H+}\) durch die Membran. Sie bilden den Elektrolyten der PEM-Brennstoffzelle, die schon bei etwa 80 °C arbeitet.
Quiz
Aussage 1
Yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid dient in Brennstoffzellen als fester Elektrolyt, der Protonen leitet.
Die Oxidkeramik leitet Oxid-Ionen \(\ce{O^2-}\). Protonen leitet die Polymermembran der PEM-Zelle.
Aussage 2
Beim Laden eines Bleiakkumulators bildet sich an der positiven Elektrode Bleidioxid.
An der positiven Elektrode wird \(\ce{PbSO4}\) zu \(\ce{PbO2}\) oxidiert, Blei geht dabei von +II auf +IV über.
Aussage 3
Während ein Bleiakkumulator geladen wird, wird die Schwefelsäure im Elektrolyten immer verdünnter.
Beim Laden wird Sulfat freigesetzt und Wasser verbraucht. Die Schwefelsäurekonzentration nimmt also zu, verdünnter wird die Säure beim Entladen.
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