Akkumulatoren

Chemische Energie kann auch bei anderen chemischen Reaktionen (als Verbrennung) freigesetzt werden. Galvanische Zellen bestehen aus zwei Elektroden und einem Elektrolyt. Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück. Er entdeckte, dass ein mit Instrumenten aus Metallen berührter Froschschenkel-Nerv Muskel-zuckungen auslöst. Galvanische Zellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Für gewöhnliche Batterien ist dieser Vorgang nicht umkehrbar. Akkumulatoren können jedoch wieder aufgeladen werden. dabei wird die elektrische in chemische Energie umgewandelt, woraus beim Entladen wieder elektrische Energie entsteht.

Mit Beginn des 19. Jahrhunderts begannen die Versuche zum Aufbau eines Bleiakkumulators. 1886 ließ sich Henri Tudor  einen technisch einsetzbaren Blei-Akkumulator patentieren, so wie er bis heute noch vorwiegend in Autos verwendet wird.

Der Bleiakku hat im geladenen Zustand eine positiven Elektrode aus einem Bleikern und einem Mantel aus Blei(IV)-oxid (PbO₂) und eine negative Elektrode aus fein verteiltem porösem Blei (Bleischwamm). Das Elektrolyt ist eine verdünnte
(27-prozentige) Schwefelsäure (H₂SO₄). Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO₄).
Die Nennspannung einer Zelle ist 2 Volt, so dass für einen 12-V-Bleiakku 6 Zellen hintereinander geschaltet sind. Chemische Reaktionen beim Entladen sind am negativen Pol

und am positiven Pol

Am Minuspol werden also Elektronen abgegeben und am Pluspol aufgenommen. Beim Laden laufen alle Vorgänge in umgekehrter Richtung ab.

Die maximal während eines kurzen Zeitraums erzielbare Leistung W_max ergibt sich als Produkt von maximalem Strom
A_max und Nennspannung V_n. Ein wichtigerer Parameter ist jedoch die Kapazität elektrischer Energiespeicher, die in Amperestunden (Ah) angegeben wird. Multipliziert man diesen Wert mit der Nennspannung V_n, erhält man die
gespeicherte Energie in Wattstunden (Wh).  Für einen Vergleich unterschiedlicher Speicher werden maximale Leistung
und gespeicherte Energie auf das Volumen oder das Gewicht der Speicher bezogen. Bleiakkus haben eine Energiedichte von 30 Wh/kg.

Der Lithium-Ionen-Akku, der erstmals 1991 von Sony auf den Markt gebracht wurde, erreicht  mehr als 100 Wh/kg.
Er hat eine Kathode (Minuspol) aus Graphit und eine die Anode aus Lithium-Metalloxid, z. B. LiMn₂O₄.
Als Elektrolyt dienen Salze, wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) in wasserfreien Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat oder für den Lithium-Polymer-Akku eine feste bis gelartige Polymerfolie. Beim Laden wandern die positiv geladenen Lithium-Ionen durch den Elektrolyt hindurch von der Anode zwischen die Graphitebenen (nC) der Kathode. Der
Ladestrom wird durch die Elektronen über den äußeren Stromkreis erzeugt. Die Lithium-Ionen bilden mit dem Kohlenstoff eine Interkalationsverbindung (Li_xnC). Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück in das Metalloxid. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode. Chemische Reaktionen beim Entladen sind am negativen Pol
 
und am positiven Pol

 

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