Mobile Energiequellen: Batterien, Akkus und Brennstoffzellen in der Redox-Chemie

Nächster Termin: 19.04.2024 und 20.04.2024
Kursleitung: Christoph Tschopp
Autor: Roger Deuber
Schulstufe: 10.-12. Schuljahr, Gymnasium
Umfang: 8 Lektionen plus 4 Lektionen (optional) für Schülerpraktika im Labor
Kosten: 600 CHF

Wie können wir das Vorwissen der Schülerinnen und Schüler über Redoxreaktionen nutzen, um ihnen zu erklären, woher die Elektronen in einer Batterie kommen und wohin sie gehen?

Der Unterrichtseinstieg in die erste Sequenz dieser Unterrichtseinheit nutzt zwei Experimente, um die Lernenden auf das Konzept der chemischen Stromgewinnung vorzubereiten. Die Verbrennung von Aluminiumpulver in der Bunsenbrennerflamme dient zunächst der Aktivierung des Vorwissens der Lernenden zur Redoxchemie. Anschliessend wird eine einfache Aluminium-Luft-Batterie präsentiert, in der dieselben chemischen Reaktionen ablaufen, mit denen aber im Unterschied zum vorhergehenden Experiment Strom gewonnen werden kann.

Vergrösserte Ansicht: Stromgewinnung mit einer Aluminium-Luft-Batterie — Stromgewinnung mit einer Aluminium-Luft-Batterie

Im Rahmen eines Schülerpraktikums wird eine Anleitung bereitgestellt, wie man eine funktionierende Aluminium-Luft-Batterie mit einfachen Mitteln selber bauen kann.

Um die neuen Konzepte zu vertiefen, wenden die Schülerinnen und Schüler anschliessend das Gelernte auf die heute üblichen Alkali-Mangan-Batterien an. Schliesslich vergleichen sie diese Batterien mit den früher verwendeten Kohle-Zink-Batterien und lernen dabei die Bedeutung der Reaktionsgeschwindigkeit für die Funktion einer Batterie kennen.

Sequenz 2

In der zweiten Sequenz dieser Unterrichtseinheit erarbeiten die Schülerinnen und Schüler selbständig das Konzept des Redoxpotentials.

Sequenz 3

In der dritten Sequenz lernen die Schülerinnen und Schüler die Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus kennen und haben im Rahmen eines Schülerpraktikums wiederum die Gelegenheit, selber einen zu bauen.

Vergrösserte Ansicht: Lithium-Ionen-Akku — Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

Sequenz 4

Die vierte Sequenz befasst sich mit der Funktion von Brennstoffzellen. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich die einzelnen Zusammenhänge mit kognitiv aktivierenden Lernformen und werden dabei durch anschauliche Experimente unterstützt.

Vergrösserte Ansicht: Methanol-Brennstoffzelle — Methanol-Brennstoffzelle

Batterien, Akkus und Brennstoffzellen sind ein attraktives und gesellschaftlich relevantes Thema im gymnasialen Chemieunterricht. Die Integration der Erkenntnisse der modernen Lehr- und Lernforschung und die Berücksichtigung von modernen technischen Entwicklungen ermöglichen es, die komplexen chemischen und physikalischen Grundkonzepte der elektrochemischen Stromerzeugung verständlich und aktuell zu vermitteln.

Besonderer Wert wird auf die Anknüpfung an das Vorwissen gelegt: So werden die Schülerinnen und Schüler vor Durchführung der Unterrichtseinheit dazu befragt, woher die Elektronen in einer Batterie kommen und wohin sie gehen. Zudem knüpft die Einführung in die Funktion von Batterien ohne Umweg über Halbzellenreaktionen direkt an die einfache Redoxreaktion zwischen Aluminium und Sauerstoff an. Die Schülerinnen und Schüler werden durch kontrastierende Experimente schrittweise zur Beantwortung der Frage geführt, wie die Elektronen dazu gebracht werden können, in einem externen Leiter zu wandern.

Lernziele der Unterrichtseinheit

Die Schülerinnen und Schüler können die Funktion einer Batterie als Redoxvorgang erklären, bei dem die Elektronen durch einen externen Leiter vom Reduktor zum Oxidator fliessen. Sie wissen, wie verhindert wird, dass Elektronen direkt übertragen werden, und dass die Ladung aufgrund des Elektronenflusses ausgeglichen werden muss und wie dies geschieht.
Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, die Spannung einer Batterie aufgrund der unterschiedlichen Redoxpotentiale des Reduktors und Oxidators zu erklären.
Die Schülerinnen und Schüler können die Stromstärke auf der Ebene kleinster Teilchen erklären und wissen, dass die Leistung einer Batterie von der momentanen Stromstärke und Spannung abhängt.
Die Schülerinnen und Schüler können erklären, welche Voraussetzungen chemischer und technischer Art erfüllt sein müssen, damit eine Batterie wieder aufgeladen werden kann und welche Vor- und Nachteile zwischen nicht aufladbaren Primär- und wiederaufladbaren Sekundärbatterien bestehen.
Die Schülerinnen und Schüler kennen chemische und technische Unterschiede einiger wichtiger Typen von Primär- und Sekundärbatterien und können die Bedeutung der Kapazität (gespeicherte Ladung), der maximalen Leistung, der spezifischen Leistungsdichte und der Selbstentladung als wichtige Kenngrössen für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche erklären.
Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, zu erklären, wie eine Brennstoffzelle funktioniert und kennen die wichtigsten chemischen und technischen Unterschiede zwischen Batterien und Brennstoffzellen als mobile Energiequellen.
Die Schülerinnen und Schüler können erklären, welche Anforderungen zukünftige mobile Energiequellen voraussichtlich erfüllen müssen und welche Lösungsansätze in der aktuellen Forschung bestehen.
Die Schülerinnen und Schüler können aus ökologischer Sicht erklären, wann der Einsatz von mobilen Energiequellen sinnvoll ist, welcher Typ sinnvollerweise verwendet wird und worauf bei der Anwendung geachtet werden muss.

Sequenz 1: Woher kommen die Elektronen einer Batterie – und wohin gehen sie?

Chemische Voraussetzungen der externen Elektronenübertragung als Grundkonzept einer elektrischen Batterie am Beispiel der Aluminium-Luft-Batterie, Funktion der Alkali-Mangan-Batterie, mit Schülerpraktikum: Bau einer Aluminium-Luft-Batterie
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Sequenz 2: Spannung, Stromstärke, Leistung und Kapazität. Qualität und Anwendungsbereiche von Batterien

Zusammenspiel der Grössen Spannung, Stromstärke, spezifische Leistung und Kapazität anhand eines Vergleichs verschiedener Knopfzellen, Einführung des Konzepts des Redoxpotentials
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Sequenz 3: Wiederverwenden statt Wegwerfen: Akkumulatoren sind wiederaufladbar

Chemische Prinzipien, Starterbatterie und Lithium-Ionen-Akku, mit Schülerpraktikum: Bau eines Lithium-Ionen-Akkus
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Sequenz 4: Zukunftstechnologie Brennstoffzellen

Die Funktion der Wasserstoff- und Methanol-Brennstoffzelle im Vergleich mit herkömmlichen Batterien, Konzepte einer Wasserstoff- oder Methanolwirtschaft als Alternative zu fossilen Energieträgern
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Experiment 2: Die Alu-Luft-Batterie – Stromgewinnung durch die Oxidation von Aluminium.

Aluminiumatomen kann man leicht Elektronen wegnehmen – das wissen wir ja bereits. Taucht man eine Aluminiumfolie in eine gesättigte Kochsalzlösung, kann dies als negativer Pol für eine Batterie dienen. Welche Rolle die Salzlösung dabei spielt, werden wir später erkunden.
Den positiven Pol bildet eine Kohle-Elektrode, die ermöglicht, dass Sauerstoffmoleküle an ihrer Oberfläche Elektronen aufnehmen können: Bei einer Kohle-Elektrode wird Sauerstoff also zum Elektronendieb.
Um die Elektronen in der Alu-Luft-Batterie zum Fliessen zu bringen, werden die Aluminiumschicht und die Kohleelektrode mit Hilfe von Krokodilklemmen und einem Draht leitend miteinander verbunden.
Lassen Sie sich die Alu-Luft-Batterie von Ihrer Lehrperson zeigen und bearbeiten Sie dann die folgenden Aufträge:

Experimente 3 und 4: Die Aufgabe der Salzlösung und die Bedeutung des Ladungsausgleichs

Damit Sie die Rolle der Salzlösung verstehen können, wird die Alu-Luft-Batterie leicht modifiziert: In der ersten Variante sind die beiden Elektroden zwar leitend verbunden, tauchen aber nicht in eine Kochsalzlösung. Bei der zweiten Variante tauchen die beiden Elektroden zwar in Kochsalzlösung, aber in zwei verschiedene Gefässe. Bedenken Sie dabei, dass Redoxreaktionen Gleichgewichtsreaktionen sind, bei denen die Lage des Gleichgewichts von den Konzentrationen der Edukte und der Produkte abhängig ist.
Versuchen Sie vorherzusagen, ob mit diesen Versuchsanordnungen Strom fliessen wird oder nicht, bevor Ihre Lehrperson den Versuch durchführt:

Lassen Sie sich die beiden Varianten der Alu-Luft-Batterie jetzt von Ihrer Lehrperson zeigen und ergänzen Sie falls nötig ihre Vermutungen.

Vertiefung des Gelernten durch Modellvergleiche

Mit diesem Vergleich eines Laienmodells einer Batterie mit dem Expertenmodell vertiefen die Schülerinnen und Schüler das Gelernte im Anschluss an die Lektion. Sie werden mit gezielten Aufträgen angeleitet, beide Modelle in verschiedenen Hinsichten miteinander zu vergleichen. Auf diese Weise können sie die Vorteile des Expertenmodells gegenüber dem Laienmodell besser nachvollziehen. Zudem haben sie damit eine Lerngelegenheit, bei der sie möglicherweise noch auf Defizite in ihrem eigenen Verständnis aufmerksam gemacht werden.

Aufträge für den Vergleich der beiden Modelle

Erklären Sie bei beiden Modellen die Ursache für die Elektronenwanderung.
Durch die Elektronenwanderung entsteht eine Ladungsverschiebung, die durch Ionenwanderung ausgeglichen werden muss. Wird bei beiden Modellen erklärt, warum dieser Ladungsausgleich notwendig ist und wie der Ladungsausgleich realisiert wird?
Der Separator einer Batterie trennt den Plus- vom Minuspol in der Batterie und ist normalerweise ein mit einer Flüssigkeit getränktes Papier, das für Ionen durchlässig ist.
Wird von beiden Modellen die Funktion dieses Separators erklärt?
Kann von beiden Modellen erklärt werden, warum die Kapazität einer Batterie nicht beeinträchtigt wird, wenn der negative Pol z. B. durch Berührung mit einer Heizung geerdet wird?
Welche Komponenten würden Sie als die wichtigsten bezeichnen, durch die sich das fehlerhafte Modell vom Expertenmodell unterscheidet?

Arbeitsblatt zur Einführung der Redoxpotentiale

Um eine Skala der Redoxpotentiale zu erstellen, wird die Spannung zwischen allen Stoffen und einem „Referenz-Stoff“ gemessen, den man als Nullpunkt definiert. Dieser Referenz-Stoff soll eine mittlere Tendenz haben, Elektronen aufzunehmen bzw. abzugeben. Wasserstoff ist dazu sehr gut geeignet.
Da Stoffe nach Abgabe von Elektronen je nach Reaktionspartner auch wieder Elektronen aufnehmen können – und umgekehrt – verwendet man bei der Messung ein definiertes Gemisch aus der reduzierten und oxidierten Form des zu messenden Stoffs, also z.B. Li/Li⁺, F₂/F^-, H₂/H⁺.

Eine Messeinheit, die in der Regel aus zwei Gefässen mit den entsprechenden Redoxpaaren besteht, und die für den Ladungsausgleich mit einer Salzbrücke verbunden sind, nennt man „Zelle“. Entsprechend heisst eines der beiden Gefässe „Halbzelle“.

So besteht die Wasserstoff-Standardhalbzelle aus einem Gefäss, das einerseits eine wässrige Lösung von 1 M H⁺-Ionen enthält – was einer Lösung mit pH-Wert 1 entspricht – und andererseits einer Platin-Elektrode, die von gasförmigem Wasserstoff umspült wird, während sie in die Lösung eintaucht.

Konkret geht man so vor, dass man aus den Halbzellen aller möglicher Redoxpaare mit der Wasserstoff-Standardhalbzelle zusammen eine Messzelle bildet, bei der die Spannung gemessen wird. Diese Spannung wird als Mass für die Tendenz der Elektronenabgabe/ -aufnahme des Redoxpaars – und damit als Redoxpotential verwendet.

Damit wird es nun möglich, die Spannung zwischen beliebigen Redoxpaaren zu berechnen: Werden beispielsweise zwei Stoffe in einer Batterie leitend miteinander verbunden, kann die Differenz der beiden Redoxpotentiale verwendet werden, um die resultierende Spannung der Batterie abzuschätzen: