Neue Batterie Typen
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Neue Batterie Typen Neue Batterie Typen Presentation Transcript

  • OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd
  • Übersicht Grundlagen   Energiedichte  Die ‚alte‘ Batterie Neue BatterieTypen  ○ Natrium Schwefel ○ Lithium- und Lithiumnitrat ○ Genetisch veränderte Viren ○ Zink - Kohle ○ Zink/Luft-Batterie ○ Natrium/Nickelchlorid ○ Körper Batterie ○ Urin Batterie ○ Super Caps (Kondensator) Das ‚Strom-Tanken‘  Quellen  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 2
  • Grundlagen  Energiedichte  Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 3
  • OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 4
  • Grundlagen Die gespeicherte chemische Energie wird durch elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einer Ionenbrücke wird der Stromkreis geschlossen. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 5
  • Grundlagen Die Elektrodenmaterialien legen die  Nennspannung der Zelle fest. Kapazität C in [Ah] entnehmbare Ladungsmenge   hängt vom Entladestrom und der Entladeschlussspannung ab Im praktischen Gebrauch abhängig vom:   Batterietyp  der Höhe des Entladestroms  der Restspannung bei Entladungsende  des Batteriealters und der Temperatur OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 6
  • Grundlagen  Energiedichte  Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 7
  • OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 8
  • Energiedichte Die Energiedichte bezeichnet die Verteilung  von Energie E auf eine bestimmte Größe X volumetrische gravimetrische Energiedichte Energiedichte Maß für die Energie Maß für die Energie   pro Raumvolumen pro Masse  Einheit Joule/m³  Einheit Joule/kg OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 9
  • Energiedichte Gewünscht ist eine hohe Energiedichte: um Transportkosten für den Energieträger  gering zu halten um hohe Betriebsdauern mobiler Geräte zu  ermöglichen um hohe Reichweiten von Fahrzeugen zu  erzielen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 10
  • Energiedichte Stoff/System Bemerkung in MJ/kg Elektrolytkondensator 0,00005 = 50 J/kg Doppelschicht-Kondensator 0,02000 Adenosintriphosphat (ATP) 0,06430 Energiespeicher in biologischen Zellen Bleiak k umulator 0,11000 stärkste Sprengstoffe 7,00000 Zink-Luft-Batterie 1,20000 Wasserstoff (inkl. Hydridtank) 1,19000 mitteleuropäische Nutzhölzer 13,00000 - 20,00000 Braunkohle 28,47000 Steinkohle 30,00000 Pflanzenöl 37,00000 Kerosin 40,00000 Dieselkraftstoff 39,60000 - 43,20000 Benzin 43,00000 Atomarer Wasserstoff 216,00000 spontane Reaktion zu H2 Radioisotopengenerator 5000,00000 elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch) Kernspaltung U-235 90000000,00000 Kernfusion (Kernwaffe) 300000000,00000 Proton-Proton-Reaktion 627000000,00000 Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne Umwandlung Masse in Energie 90000000000,00000 3,6 MJ = 1000Wh OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 11
  • Grundlagen  Energiedichte  Die „alte“ Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 12
  • OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 13
  • Die ‚alte‘ Batterie Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern, obwohl ihre Energiedichte so gering ist.  Energiedichte = 110 KJ/kg OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 14
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 15
  • Natrium-Schwefel Übliche Batterien bzw. Akkumulatoren Alternative die Na/S-Batterie    enthalten Schwermetalle  Viel leichter  oftmals eine zu große Masse  Probeweise zum Antrieb in Autos  reduziert ihre Energiedichte  Wieder aufladbar  Entsorgung Probleme  Reversible Redoxreaktion  Elektrolyte sind ätzend Lässt man Reduktion und Oxidation durch ein Diaphragma getrennten  Reaktionsräumen ablaufen, so baut sich eine Spannung auf. Diese beträgt ≈ 2,1 V. (Idealbedinung) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 16
  • Natrium-Schwefel Probleme Schwefel ist ein Isolator   Durch Zusatz von Graphitpulver elektrisch leitend gemacht. Reaktionsräume müssen getrennt bleiben aber über ein Leiter verbunden sein   Durch eine keramische Membran aus Aluminiumoxid  ionischen Aufbaus zugleich Elektrolyt und für Natrium-Ionen durchlässig Keramikmembran nur bei höherer Temperatur Ionendurchlässig   Akkumulator Temperatur ca. 290-350 °C Natrium reagiert leicht mit Sauerstoff und Wasser:   Die Batterie muss (vor allem, wenn sie erhitzt wird) luftdicht abgeschlossen werden Spannung und Stromstärke sind für den Betrieb eines Autos zu gering:   Reihen-Parallelschaltung Heute ist die Na/S-Batterie über das Versuchsstadium hinaus Praktische Energiedichte beträgt 0,120 kWh/kg. Sie gilt als das momentan aussichtsreichste System.  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 17
  • Vorführung einer NaS- Batterie Positive Elektrode: Schwefel Elektrolyt: ß-Al2O3-Keramik Negative Elektrode: Natrium OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 18
  • OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 19
  • OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 20
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 21
  • Lithium- und Lithiumnitrat Gleiches Gewicht wie Bleiakkumulatoren 7x  Energiespeicherkapazität Energiedichte = 200 Wh/kg  leichteste Metall  Fester Innenleiter  keine Auslaufgefahr  Dünne-Batterien  Ø=0,8mm  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 22
  • Lithium- und Lithiumnitrat  superschnell nachladbare Li-Ionen Batterien  In 1min = 80% geladen  negative Elektrode Nano-Partikeln  C = 600mAh OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 23
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 24
  • Zink - Kohle Weiterentwicklungen sollen kleiner &  regenerationsfähiger werden Leistung ist um 32,2% besser und  Quecksilberfrei Genauso stark und um die Hälfte billiger  als Bleiakkumulatoren OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 25
  • Neue Batterie-Typen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Schwefel-Lithium o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 26
  • Zink/Luft-Batterie Prinzip war schon Thomas Edison  bekannt Bei gleichem Energiegehalt um  80% leichter als herkömmliche Bleiakkumulatoren Energiedichte = 1,2 KJ/kg  Leicht   Zink-Annode & O2 Kathode Laptop Akkus können damit  Laufzeiten von bis zu 20 Stunden erreichen ZOXY-Batterie OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 27
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 28
  • Natrium/Nickelchlorid Betriebstemperatur von 300°C  Energiedichte von 100 Wh/kg  600 Ladezyklen  Ziel: 1000 Zyklen & 5 Jahre Lebensdauer  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 29
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 30
  • Genetisch veränderte Viren Forscher entwickeln an genetisch veränderte Viren, die aktive  Battierekomponenten mit kompakter Struktur bilden Ziel:  Ultradünn  transparente Batterieelektroden  3x mehr Energie speicherbar als mit Lithium-Ionen Sie könnte sich quasi selbst zusammenbauen  Möglich wären „unsichtbare“ Hochleistungsbatterien an  Flachbildschirmen, Handys, Laptops oder Hörgeräten Könnten aber auch zur Verbesserung von Katalysator oder  Solarzellen beitragen OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 31
  • Genetisch veränderte Viren M13-Vieren wickeln sich zu langen dünnen Zylinder auf  Forscher ergänzten zusätzliche Nukleotid-Sequenzen zur  Viren-DNA Proteine bilden zusätzlich Aminosäuren die Kobalt-Ionen binden  Eine Kobaltoxidschicht bildet sich dann nach einer Reaktion mit  Wasser über die Viren Die Viren können dann als Elektrode dienen   2x größere Kapazität wie kohlenstoffbasierte Elektroden Eine Veränderung der DNA zur Bindung an Gold führt zu einer  höheren Energieausbeute von 30% OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 32
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 33
  • Körper Batterie 2002 entwickelten Forscher eine Batterie die ihre Energie  aus der Körperflüssigkeit von Menschen bezieht Aus der Reaktion von Sauerstoff mit Zucker   Elektronen werden dem Zucker entrissen Zwei mit Kohlestoff-Fasern werden in den Körper  implantiert Bei einer Körpertemperatur von 37ºC und einem pH-  Wert von 7,2 erreicht die Batterie eine Leistung von ca. 1,9 Microwatt Einsatz: Überwachung des Blutzuckerspiegels   nur noch nicht für höheren Energiebedarf OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 34
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 35
  • Urin Batterie Eine papierdünne  Batterie 0,2ml Urin = 1,5mW  Urin dient zur  Krankheitsdiagnose gleichzeitig auch als  Energiequelle OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 36
  • Neue Batterietypen o Natrium-Schwefel o Lithium- und Lithiumnitrat o Zink-Kohle o Zink-Luft o Natrium-Nickelchlorid o Genetisch veränderte Viren o Körper Batterie o Urin Batterie o Super Caps (Kondensator) OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 37
  • Super Caps (Kondensator) Dienen ursprünglich für  satellitengestützte Laserkanonen Sollen nun Stromspitzen  in Elektroautos liefern, die beim Anfahren oder starken Beschleunigen nötig sind Verlängert  Batterielebensdauer um das 400fache OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 38
  • Super Caps (Kondensator) Energiedichte 5-20 kWs/kg  Leistungen von bis zu 10kW  Zyklenzahl ca. 1 Million  Energieeffizienz liegt bei ~95%  OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 39
  • Tanken der geladenen Elektrolyt-Substanz Das ‚Strom- Tanken’ würde dann nicht länger dauern als das bisherige Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 % teurer sein. OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 40
  • Quellen Internet http://www.buch-der-synergie.de www.wikipedia.de www.chemieunterricht.de/dc2/tip/index.html http://62.154.248.103/news/2006-6-22-11-0-31.html Literatur [1]G. Dahlke, Die Natrium-Schwefel-Batterie. Praxis (Chemie) 3/38, (1989), 14-18. [2]VEBA AG (Herausgeber): Das Elektroauto - Fakten und Argumente, Düsseldorf 1992. (Adresse: VEBA AG, Bennigsenplatz 1, 40474 Düsseldorf.) [3]R. Blume, A. Hildebrand und U. Hilgers: Umweltchemie im Unterricht. Ein praktischer Leitfaden; Cornelsen-Verlag, Berlin 1996, 279 S; (ISBN 3-464-03513-1). OSZ Lise-Meitner-Schule © Sebastian Shepherd 41