Faszinierende Experimente mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien

Der Aufbau und die Herstellung von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Metall-Akkumulatoren sind sehr aufwendig und stellen extrem hohe Ansprüche an die Chemie und den technischen Fertigungsprozess. Aus diesem Grund war dieses bedeutsame und zukunftsweisende Themenfeld für die Hochschule wie auch den Chemieunterricht experimentell und konzeptionell weitgehend unerschlossen.

Es stellt sich die Frage, wie dieses brandaktuelle und weltweit intensiv beforschte Themenfeld für Schülerinnen und Schüler im Chemieunterricht bzw. für Studierende an der Hochschule zugänglich gemacht werden kann.

Ausgehend von der zentralen Idee einer gleichzeitigen Einlagerung von Anionen und Kationen wurde in der Abteilung Chemie der Pädagogischen Hochschule Freiburg ein völlig neuartiger Lithium-Ionen-Akkumulator entwickelt und im workshop in Theorie und Praxis von den Schülerinnen und Schülern erforscht („Dual-Carbon-Zelle“).

 

 

Abb: Lithium-Ionen-Zelle (Dual-Carbon-Zelle“) auf Basis einer graphitischen Anode und Kathode. Ladevorgang, Lithium- bzw. Perchlorat-Ionen werden eingelagert (interkaliert).

 

 

 

Abb: links: Goldfarbene, maximal lithiierte Graphitelektrode in EC/DMC (1:1). Struktur der Graphitinterkalationsverbindung LiC6 in der Schichtdarstellung.

 

 

Ausgehend von diesem elektrochemischen System werden im workshop weitere, völlig neuartige Akkumulatoren auf der Basis von metallischem Lithium vorgestellt, die eine Spannung von fast 5 Volt liefern und somit extrem leistungsfähig sind. In diesem faszinierenden workshop greifen wir somit hochaktuelle Forschungsbestrebungen auf, da man auch in der derzeitigen Batterieforschung an der Entwicklung eines Lithium-Metall-Luft-Akkumulators arbeitet.

Darüber hinaus wird mit eindrucksvollen, aber dennoch einfachen Experimenten die die Schülerinnen und Schüler selber durchführen aufgezeigt, wie das aus technischer Perspektive unerwünschte Phänomen der Elektrodenaufweitung (Exfoliation) beim Lade- bzw. Entladevorgang durch reduziert werden kann.

Mit der Bearbeitung dieses Themenfeldes gelingt es, brandaktuelle fachwissenschaftliche Entwicklungen in der Schule nahezu eins zu eins nachzuzeichnen und modernste naturwissenschaftliche Denkweisen in die schulische Ausbildung zu integrieren.

 

Abb: Versuchsaufbau zur elektrolytischen Gewinnung von Lithium aus einer organischen, mit Lithiumperchlorat als Leitsalz versetzten Elektrolytkomposition aus Dimethylcarbonat (DMC) und Propylencarbonat (PC). Rechts: Experimentelle Realisierung des links abgebildeten schematischen Versuchsaufbaus unter Abscheidung von metallischem Lithium.

 

Auch wenn Metall-Luft-Batterien schon relativ lange bekannt sind und kommerziell vertrieben (z.B. als Knopfzellen; Zink-Luft-Batterie) werden, sind sie aktuell wieder stark im Fokus elektrochemischer Forschung, da sie auf Grund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichten einen wichtigen Beitrag bei der "Konservierung" regenerativer Energien leisten könnten. In der Technik wie auch bei der Realisierung in der Schulpraxis als Modellexperiment ist die sauerstoffumsetzende Kathode häufig der neuralgische Punkt einer Metall-Luft-Batterie. Im workshop wird der Selbstbau einer auf Aktivkohle basierenden Sauerstoffelektrode durchgeführt, die in Kombination mit geeigneten Anodenmaterialien (Zink, Aluminium, Magnesium) zu äußerst leistungsfähigen Metall-Luft-Batterien führt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich diese Elektrode auch hervorragend für eine (katalysatorfreie) Wasserstoffoxidation eignet und somit die Konstruktion einer low-cost Brennstoffzelle ermöglicht.

Abb: Aluminium-Luft-Batterie (Primärzelle) in Kaliumchloridlösung.