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Zink-Luft-Zelle (Batterie)

Zink-Luft-Zelle (Batterie)

 basiert auf der Oxidation von Zink
Primärzelle
Oxidationsmittel ist nicht Mangan(IV)-oxid, sondern Luftsauerstoff
Elektrolyt: Kalilauge
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Hier gibts eine Ausarbeitung zur Zink-Luft-Zelle. Behandelt werden die Themen Primärzelle, Knopfzelle, Aufbau, Entladung und einzelne BEstandteile der Zelle (Separator, Elektrolyt).

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basiert auf der Oxidation von Zink Primärzelle Oxidationsmittel ist nicht Mangan(IV)-oxid, sondern Luftsauerstoff Elektrolyt: Kalilauge Anode (Minuspol): Kathode (Pluspol): O2(g) + 2 H₂O) + 4 e Gesamtreaktion: Aufgrund ihrer geringen Selbstentladung lange lagerfähig Anwendung in Form von Knopfzellen, z.B. in Hörgeräten In Zink-Luft-Zellen sind etwa 400 bis 600 Lade-/Entladevorgänge erreichbar U maximal bei 1,6 V, Ruhespannung nur 1,35-1,4 V, da Sauerstoffreduktion an Kathode stark gehemmt ist Knopfzelle Primärzelle Zink-Luft-Zelle In der Elektrotechnik eine elektrochemische Zelle mit rundem Querschnitt, deren Gesamthöhe größer ist als der Gesamtdurchmesser U zwischen 1,35 und 3,6 V Einsatz als Spannungsquelle in Geräten, die einen geringen Strombedarf haben oder selten benutzt werden HISTORISCHES 2 Zn(s) →2 Zn²+ (aq) + 4 e² → 4 OH (aq) 2 Zn + O₂ + 2 H₂O → 2 Zn(OH)2 Bsp.: Taschenrechner, Armbanduhren, Hörgeräte, Mini-Taschenlampen oder das Puffern der statischen SRAM-Bausteine auf Mainboards in Computern Erste Knopfzelle: Quecksilber-Zink-Zellen, eingeführt 1942 von Samuel Ruben ,,Elektrische Einweg-Zelle" Galvanische Zellen, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können Aufbau aufgrund des Rohstoffmangels nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt VARTA Batterie AG begann mit der Großproduktion von Silberoxidzellen und Hörgerätknopfzellen im Jahr 1973 in ihrem Werk in Ellwangen, seit 1980 werden umweltfreundliche Luft-Zink-Batterien hergestellt ENTLADUNG Zinkmetall wird mit Luftsauerstoff in einem alkalischen Elektrolyt zum Oxid oder Hydroxid oxidiert, elektrochemische Nutzung der dabei freiwerdenden Energie ● Poren der Gasdiffusionselektrode müssen mit einem Elektrolyten benetzt sein, um eine große Reaktionsfläche für den Sauerstoffumsatz an...

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der Dreiphasengrenze anzubieten ,,Herzstück" der Gasdiffusionselektrode ist eine etwa 1 mm dünne Aktivschicht, die ein leitendes Trägermaterial aus feinteiligem Kohlenstoff aufweist, auf das elektrolytseitig ein Katalysator zur Beschleunigung der Sauerstoffreduktion und Hydroxidoxidation aufgebracht wird bei neuen Batterien ist die Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff meist mit einer Lasche versiegelt, sodass die Redoxreaktionen erst bei Entfernung dieses Siegels einsetzen daher zeichnen sich Zink-Luft-Batterien durch eine lange Lagerfähigkeit aus, müssen nach Entfernung des Siegels jedoch in der Regel innerhalb weniger Wochen aufgebraucht werden. Anode: Zinkpulver Kathode: Luftsauerstoff Anode Elektrolyt: Kalilauge Katalysator: Graphitstab, Graphitpulver oder Kohlenstoffgitter häufig Separator zwischen Zinkpulver und Sauerstoff Zufuhr des Sauerstoffs erfolgt durch kleine Luftlöcher, die bis zum Einsatz durch Klebeblätter versiegelt sind sobald Luftlöcher geöffnet werde findet Oxidation des Zinks mit Sauerstoff statt Luftabgeschlossenheit bei Lagerung und vor dem Einsatz wichtig, da sich die Batterie sonst selbst Ladung ● entlädt Wiederaufladbarkeit kann erreicht werden, wenn das umgesetzte Metall mechanisch ersetzt wird, womit eine Variante einer Brennstoffzelle mit festem Brennstoff vorliegt Wiederaufladen der Zink-Elektrode ist in einem wässrigen alkalischen Elektrolyten möglich; dabei bilden sich aber Dendriten, die zu Kurzschlüssen führen kann aus reinem Zink oder Zink-Zinkoxid-Gemischen hergestellt werden Zink fungiert als aktives Material und wird beim Entladevorgang oxidiert diese Reaktion kann nur an der Phasengrenze stattfinden damit das Zink möglichst gleichmäßig aufgebraucht wird, ist es sinnvoll, möglichst feine, poröse Zinkstrukturen mit einer großen Oberfläche zu erzeugen Poren werden dann mit Elektrolyt geflutet unter dem Poldeckel der Anode wird außerdem ein Hohlraum gelassen, der dazu gedacht ist, reaktionsbedingte Volumenveränderungen zu kompensieren Elektrolyt KALILAUGE Leitfähigkeit hängt von der Konzentration der Lauge ab in verdünnten Lösungen führt eine Erhöhung der Salzkonzentration zu einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit bei hoch konzentrierten Lösungen wird dieser Effekt jedoch durch die steigende Viskosität kompensiert, beziehungsweise umgekehrt. Die maximale Leitfähigkeit wird in circa acht molarer Lösung erreicht Separator besteht aus einem einfachen mikroporösen Filterpapier Hauptaufgabe ist es, die beiden Elektroden elektrisch voneinander zu trennen. Außerdem behindert der Separator das Durchwachsen von Zinkdendriten zur Kathode, die so Kurzschlüsse erzeugen könnten. Die Porosität des Separators ermöglicht jedoch auch, dass Zinkionen, beziehungsweise Zinkationen, in die Kathode gelangen und dort als Zinkoxid ausfallen können, was zu Porenverstopfungen und Kapazitätsverlusten führt. Letzteres ist ein Problem in Sekundärzellen. Dendriten, baumartig verzweigte Wachstumsformen von Kristallen. D. sind Einkristalle, ihre Äste sind kristallographisch orientiert. Sie können bei der Kristallisation aus Lösungen oder Schmelzen entstehen, wenn bei hoher Wachstumsgeschwindigkeit infolge starker Übersättigung

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