Chemische Spannungsquellen

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04. Oktober 2012 www.ibn.ch

Version 2

Kapitel 6

Chemische

Spannungsquellen

Verfasser:

Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe:

März 2009

Luigi Galvani 1737 – 1798 Arzt, Anatom und

Biophysiker

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5 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN

Version 2

Inhaltsverzeichnis

6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 6.1 Ersatzschaltbild und Belastung

6.1.1 Ersatzschaltbild der Spannungsquelle 6.1.2 Leerlauf einer Spannungsquelle 6.1.3 Belastung einer Spannungsquelle 6.1.4 Kurzschluss einer Spannungsquelle

6.1.5 Belastungskennlinie einer Spannungsquelle 6.2 Serieschaltung von Spannungsquellen 6.3 Parallelschaltung von Spannungsquellen 6.4 Chemischer Vorgang bei Spannungsquellen

6.4.1 Tabelle der Normalspannungen 6.5 Batterien und Akkumulatoren

6.5.1 Primärelemente 6.5.2 Sekundärelemente

6.5.3 Entwicklungen in der Akkumulator-Technik 6.6 Batterien- und Akkumulatoren-Vergleichstabelle

6.6.1 Auswahlkriterien für Batterien und Akkumulatoren 6.7 Galvanisieren

6.8 Netzersatzanlagen 6.9 Brennstoffzellen

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1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE

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6 Chemische Spannungsquellen

6.1 Ersatzschaltbild und Belastung

6.1.1 Ersatzschaltbild der Spannungsquelle

Gleichspannungsquellen sind Energiequellen, deren Spannungsbetrag zeitlich konstant ist. Typische Gleichspannungsquellen sind z. B. Batterien, Akkumulatoren und Netzgeräte.

Ri

U0

E=

I

Kl

a U

U =

- Ri

U0

E + +

Kl

a U

U

Nebenstehen ist die Ersatzschaltung einer Spannungsquelle dargestellt.

Das vorgeschaltete Netz zu einem Verbraucher kann auch in dieser Form dargestellt werden.

UKl Klemmenspannung [V] U0 Leerlaufspannung [V] E Elektromotorische Kraft [V] Ua Äussere Spannung [V]

I _Strom [A]

Ri Innenwiderstand

der Quelle [Ω]

Als ideale Spannungsquelle U₀ wird eine Spannungsquelle bezeichnet, die unabhängig von der nachgeschalteten Last stets dieselbe Spannung abgibt. Klemmen- und Quellenspannung wären somit immer identisch, der Energievorrat der Quelle wird als unendlich angenommen. Da dies in der Praxis aber unmöglich zu erreichen ist, werden in technischen Berechnungen zumeist reale Spannungsquel- len eingesetzt. Diese bestehen aus einer idealen Spannungsquelle, zu der ein in Reihe geschalteter Widerstand, der Innenwiderstand, angenommen wird.

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Version 2

6.1.2 Leerlauf einer Spannungsquelle

Ri

U0

E=

I

Kl

a U

U =

- Ri

U0

E + +

Kl

a U

U

U0

UKl =

Leerlauf

A I =0

Die Leerlaufspannung nennt man auch:

- Urspannung

- Quellenspannung - Leerlaufspannung

- Elektro-Motorische-Kraft (^E=EMK)

I Strom [A]

Ri Innenwiderstand

der Quelle [Ω]

Merke:

Bei einer unbelasteten Quelle ist die Klemmenspannung gleich gross wie die Quellenspannung

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6.1.3 Belastung einer Spannungsquelle

Mit dem inneren Widerstand der Quelle kann bei Berechnungen der Einfluss von nachgeschalteten Lasten auf die tatsächlich anliegende Klemmenspannung der Quelle nachvollzogen werden. Je stärker die Quelle belastet wird, desto tiefer sinkt die an den Klemmen anliegende Spannung. In der Praxis kann der Innenwiderstand einer Spannungsquelle variieren, beispielsweise ist der Innenwiderstand einer neuen Batterie viel geringer als derjenige einer verbrauchten.

I

U =U_a _Kl Ra

Ri

U₀ + Pa

i

Kl U I R

U = ₀− ⋅

Belastung

A I ≥0

I Strom [A]

Ri Innenwiderstand

der Quelle [Ω]

Ra Äusserer Widerstand [Ω]

Pa Leistung am äusseren

Widerstand [W]

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Version 2

6.1.4 Kurzschluss einer Spannungsquelle

I

U =U_a _Kl Ri

U₀ + U_i

i

K R

I =U⁰

Kurzschluss

IK

I =

V U_K =0

I Strom [A]

IK Kurzschlussstrom [A] Ri Innenwiderstand

der Quelle [Ω]

Ra Äusserer Widerstand [Ω]

Pa Leistung am äusseren

Widerstand [W]

Der maximale Strom ist also umso größer, desto kleiner der Innenwiderstand der Quelle ist.

Aus den hier aufgeführten Gründen ist es daher anzustreben, den Innenwiderstand für technische Spannungsquellen so klein wie möglich, am besten Ri =0Ω, zu halten. Jedenfalls sollte er viel kleiner als der des Verbrauchers sein.

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Version 2

6.1.5 Belastungskennlinie einer Spannungsquelle

Die von einer realen Spannungsquelle abgegebene Leistung berechnet sich aus dem Produkt des Stromes und der Klemmenspannung. Im Leerlauf beträgt diese Leistung Null, da kein Strom durch den Verbraucher fließt. Auch im Kurzschlussfall wird keine Leistung abgegeben, da zwar ein hoher Strom fließt, die Klemmenspannung aber gleich Null ist. Der Strom wird in diesem Fall allein durch den In- nenwiderstand begrenzt, der die maximale von der Quelle lieferbare Leistung umsetzen muss.

U

I

] [A

] [V

8,0

6,0

4,0

2,0

0

0 25 50 75 100 125

U

10 14

12

] [A

] [V

Maximale Leistungsübertragung bzw.

maximale Leistung am Verbraucher ist bei:

a

i R

R =

i

a R

P U

= ⋅ 4

) ( ₀ ²

max

U

I U0

IK ^{[% ]}

[%]

Ra

P

Pa max

Pa

80

60

40

20

0

0 25 50 75 100

U

100

Bild 610.02.01

U0

IK ^{[% ]}

[%]

Ra

Pa max

Pa

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2 SERIESCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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6.2 Serieschaltung von Spannungsquellen

Bei Reihenschaltung mehrerer Spannungsquellen ergibt sich die Gesamtspannung aus der Summe der Leerlaufspannungen der einzelnen Spannungsquelle. Ebenso ist der Gesamtquellwiderstand gleich der Summe der einzelnen Innenwiderstände. Der Strom ist für alle Quellen in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch.

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2 SERIESCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

Version 2

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3 PARALLELSCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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6.3 Parallelschaltung von Spannungsquellen

Wird mehr Strom vom Verbraucher benötigt, als eine einzelne Quelle liefern kann, sodass eine Paral- lelschaltung von Spannungsquellen erforderlich wird, so ist dies nur bedingt mit realen Quellen mög- lich. Dazu müssen bei Bedarf Quellenwiderstände durch externe in die Leitungen geschaltete Wider- stände nachgebildet werden. Diese müssen so groß sein, dass durch ihre Spannungsverluste die Spannung am Verbraucher kleiner wird als die kleinste der Leerlaufspannungen. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass alle parallelgeschalteten Spannungsquellen bezüglich der Spannung:

Den gleichen Betrag haben

Das gleiche Vorzeichen (Polung) aufweisen

Erdfrei sind oder am gleichen Pol geerdet sind. Bei mehr als einem Erdpunkt können geringe Diffe- renzströme fließen (siehe Brummschleife)

Wechselspannungsquellen die gleiche Phase haben

Werden diese Punkte nicht beachtet führt dies zu einem meist unerwünschten Stromfluss zwischen den Quellen. Je nach Stromhöhe und/oder Ausführung der Spannungsquelle kann dies zur Zerstörung einzelner Teilquellen führen. Diese Kriterien können auch mit entsprechenden elektronischen Schutz- schaltungen, die die Spannungen der einzelnen Spannungsquellen überwachen und regeln, erfüllt werden.

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3 PARALLELSCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 4 CHEMISCHER VORGANG

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6.4 Chemischer Vorgang bei Spannungsquellen

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 4 CHEMISCHER VORGANG

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6.4.1 Tabelle der Normalspannungen

Standardpotentiale bei 25 °C; 101,3 kPa; pH=0; Ionenaktivtäten= 1

Element im Redox- Paar, dessen Oxidati- onsstufe sich ändert

Chemi- sches Zeichen

Oxidierte Form Elektronen-

zahl Reduzierte Form Standart- potential

Fluor F F2 + 2e⁻ 2 F⁻ +2,87 V

Schwefel S S2O82− + 2e⁻ 2 SO42− +2,00 V

Sauerstoff O H2O2 + 2 H3O⁺ + 2e⁻ 4 H2O +1,78 V

Gold Au Au⁺ + e⁻ Au +1,69 V

Gold Au Au³⁺ + 3e⁻ Au +1,42 V

Gold Au Au²⁺ + 2e⁻ Au⁺ +1,40 V

Chlor Cl Cl2 + 2e⁻ 2Cl⁻ +1,36 V

Sauerstoff O O2 + 4 H3O⁺ + 4e⁻ 6 H2O +1,23 V

Platin Pt Pt²⁺ + 2e⁻ Pt +1,20 V

Brom Br Br2 + 2e⁻ 2Br⁻ +1,07 V

Quecksilber Hg Hg²⁺ + 2e⁻ Hg +0,85 V

Silber Âg Âg+ ^{+ e}⁻ Âg ^{+0,81 V}

Eisen Fe Fe³⁺ + e⁻ Fe²⁺ +0,77 V

Iod J J2 + 2e⁻ 2J⁻ +0,53 V

Kohle (Braunstein,

Manganoxid) ^MnO² ^+0,74

Kupfer Cu Cu⁺ + e⁻ Cu +0,52 V

Eisen Fe [Fe(CN)6]³⁻ + e⁻ [Fe(CN)6]⁴⁻ +0,361 V

Kupfer Cu Cu²⁺ + 2e⁻ Cu +0,34 V

Kupfer Cu Cu²⁺ + e⁻ Cu⁺ +0,16 V

Zinn Sn Sn⁴⁺ + 2e⁻ Sn²⁺ +0,15 V

Wasserstoff (H2) H 2H⁺ + 2e⁻ H2 0

Eisen Fe Fe³⁺ + 3e⁻ Fe −0,04 V

Blei Pb Pb²⁺ + 2e⁻ Pb −0,13 V

Zinn Sn Sn²⁺ + 2e⁻ Sn −0,14 V

Nickel Ni Ni²⁺ + 2e⁻ Ni −0,23 V

Cadmium Cd Cd²⁺ + 2e⁻ Cd −0,40 V

Eisen Fe Fe²⁺ + 2e⁻ Fe −0,41 V

Schwefel S S + 2e⁻ S²⁻ −0,48 V

Nickel Ni NiO2 + 2 H2O + 2e⁻ Ni(OH)2 + 2 OH⁻ −0,49 V

Zink Zn Zn²⁺ + 2e⁻ Zn −0,76 V

Wasser H2O 2 H2O + 2e⁻ H2 + 2 OH⁻ −0,83 V

Chrom ^Cr ^Cr²⁺ ^{+ 2e}⁻ ^Cr ^{−0,91 V}

Niob Nb Nb³⁺ + 3e⁻ Nb −1,099 V

Vanadium V V²⁺ + 2e⁻ V −1,17 V

Mangan Mn Mn²⁺ + 2e⁻ Mn −1,18 V

Titan Ti Ti³⁺ + 3e⁻ Ti −1,21 V

Aluminium Al Al³⁺ + 3e⁻ Al −1,66 V

Titan Ti Ti²⁺ + 2e⁻ Ti −1,77 V

Beryllium Be Be²⁺ + 2e⁻ Be −1,85 V

Magnesium Mg Mg²⁺ + 2e⁻ Mg −2,38 V

Natrium Na Na⁺ + e⁻ Na −2,71 V

Calcium Ca Ca²⁺ + 2e⁻ Ca −2,76 V

Barium Ba Ba²⁺ + 2e⁻ Ba −2,90 V

Kalium K K⁺ + e⁻ K −2,92 V

Lithium Li Li⁺ + e⁻ Li −3,05 V

Außerdem enthält die elektrochemische Spannungsreihe eine Abstufung der Metalle („sehr edles Metall“,

„edles Metall“, „weniger edles Metall“, „unedles Metall“, „sehr unedles Metall“) nach ihrem Bestreben, sich in Säuren oxidieren zu lassen. Die Standardpotentiale der edlen Metalle haben ein positives Vorzeichen, die der unedlen dagegen ein negatives.

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 5 PRIMÄRELEMENTE

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6.5 Batterien und Akkumulatoren

Bei den chemischen Spannungsquellen unterscheidet man zwischen

Primärelementen Sekundärelementen

6.5.1 Primärelemente

Galvanische Primärelemente geben sofort nach dem Schließen des Stromkreises eine Spannung ab. Ein Strom fließt dann so lange, bis die Ladungsmenge Q verbraucht ist.

Primärelemente können nicht mehr aufgeleden werden.

Beim Stromfluss zum Verbraucher zersetzt sich das unedle Metall. Das edle Metall (Kathode) nimmt dabei Elektronen auf. Das unedle Metall gibt

Elektronen ab (Anode). Dabei werden Elektronen freigesetzt.

Georges Leclanché 1839 in Parmain

geboren

Metallkappe + Kohlestab (Kathode) Zinkbecher (Anode)

Mangan(IV)oxid Elektrolyt

(Ammoniumchlorid) Metallboden -

Bild Zink-Kohle-Element

Der Stromfluss bleibt so lange bestehen, bis sich das unedle Metall vollständig zersetzt hat. Ein Primärelement wird auch als Batterie bezeichnet. Die dabei ablaufenden elektrochemischen Vorgänge lassen sich nicht mehr umkehren.

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 5 PRIMÄRELEMENTE

Version 2

6.5.1.1 Typen von Primärelementen

Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt

Zink-Kohle - Zink

+ Braunstein E Amoniumchlorid

Nennspannung 1,5V Transportable

Geräte

Zink-Chlorid - Zink-Chlorid + Braunstein E Amoniumchlorid

Nennspannung 1,5V

Zink-Luft - Zink

+ Zink-Oxid

E Alkali-Oxid oder Hydroxid

Ruhespannung 1,35 bis 1,4 V

Hörgerätebatterie

Alkali-Mangan

(Alkali-Braunstein-Zink) Nennspannung 1,5V

Nickel-Oxyhydroxid Nennspannung 1,5V

Lithium-Thionylchlorid Li − SOCl2

Nennspannung 3,4V

Leerlaufspannung 3,7V Energiezähler Heizkostenventilen

Lithium-Mangandioxid Li − MnO2

Nennspannung 2,9V Leerlaufspannung 3,5 … 3,0V

Kameras, Uhren und als Backup-Batterie

für Speicherschalt- kreise Lithium-Schwefeldioxid

Li − SO2

Nennspannung 2,7V

Leerlaufspannung 3,0V Militärischer Bereich Lithium-

Kohlenstoffmonofluorid

Li − (CFn) Nennspannung 3,1 … 2,5V

Leerlaufspannung 3,2 … 3,0V

Anwendungen bei denen Leistung wichtiger als Kosten

Lithium-Iod Li − I2

Nennspannung 2,795V

Leerlaufspannung 2,8V Herzschrittmacher

Lithium-Eisensulfid Li − FeS2

Nennspannung 1,5V

Leerlaufspannung 1,8V Fotobereich

Lithium-Luft Li − O2

Nennspannung 2V Leerlaufspannung 3,4V

Quecksilberoxid-Zink Nennspannung 1,35V

Silberoxid-Zink Nennspannung 1,55V

Natrium-Nickelchlorid

(Zebra-Batterie) Nennspannung 1,5V

E Elektrolyt, + Kathode, - Anode

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 6 SEKUNDÄRELEMENTE

Version 2

6.5.2 Sekundärelemente (Akkumulatoren)

Bestimmte Geräte müssen unabhängig vom Lichtnetz betreibbar sein. Bestes Beispiel sind Mobiltele- fo-ne, Notebooks, tragbare Musikgeräte, elektronische Spiele und Taschenlampen. Zudem kommt es im-mer mehr in Mode, daß Geräte, die bislang kabelgebunden betrieben wurden, unabhängig vom Licht-netz einsetzbar sein sollen wie z.B. schnurlose Festnetztelefone, Rasierapparate und elektrische Werk-zeuge. Dies bedeutet, daß man diese mit einer eigenen Energiequelle ausstatten muß. Batterien haben den Nachteil, daß man sie entsorgen muß, wenn sie leer sind, was nicht nur schlecht für die Umwelt sondern auch für den Geldbeutel ist. Daher werden vermehrt Akkumulatoren oder kurz Akkus einge-setzt, die man mit Hilfe von Ladegeräten am Lichtnetz immer wieder aufladen kann.

Leider werden viele Akkus aus Unkenntnis heraus durch völlig falsche Handhabung und nicht selten auch durch unsinniges Sparen bei der Ladetechnik schon nach wenigen Ladezyklen unbrauchbar, d.h.

ihre Kapazität geht derart drastisch zurück, daß man sie in der Praxis nicht mehr sinnvoll nutzen kann, weil sie trotz Volladung nur noch ganz kurz Energie liefern. Nickelcadmiumakkus (NiCd-Akkus) können beipielsweise bei sachgerechtem Gebrauch eine Lebensdauer von ca. 1000 Ladezyklen erreichen, im schlimmsten Fall aber durch Tiefentladung und/oder starkes Überladen schon nach einem einzigen Ent-ladezyklus Schrott sein. Nachfolgend wird daher nicht so sehr auf kleinste Details von Aufbau und Funk-tion der verschiedenen Akkutypen eingegangen als vielmehr auf den sachgerechten Umgang und spe-ziell das richtige Laden.

Ein Akkumulator (auch: Akku; veraltet: Sammler) ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems.

Er besteht aus einer oder mehreren wiederaufladbaren Sekundär-Zellen.

Mehrere Zellen können dabei zur Erhöhung der Gesamtspannung in Rei- he geschaltet werden oder zur Erhöhung der Kapazität (Ladung Q) paral- lel.

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt.

Galvanische Sekundärelemente geben sofort nach dem Schließen des Stromkreises eine Spannung ab. Ein Strom fließt dann so lange, bis die Ladungsmenge verbraucht ist.

Im Gegensatz zum Primärelemente sind die elektrochemischen Vorgänge innerhalb eines Sekundärelements umkehrbar.

Sie können durch Zuführen von elektrischer Energie wieder aufgeladen werden. Sekundärelemente lassen sich deshalb wiederholt verwenden.

Die Leistungsfähigsten Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Polymer-Akkus.

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Version 2

6.5.2.1 Typen von Sekundärelementen

Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt

Blei-Akku Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure (H2SO4) Anode Bleioxid (PbO2).

Kathode metallisches Blei

I/U-Ladeverfahren Nennspannung 2V Leerlaufspannung 2,08V Selbstrentladung 2% pro Tag

hohe Strombelastbarkeit giftig

NiCd Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhyd- rid (KOH).

Anode Oxy-

Nickelhydroxid (2NiOOH) Kathode Cadmium

Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren Memoryeffekt Nennspannung 1,2V

Geräte des täglichen

Bedarfs giftig, aber recyclebar

NiMH

Nickel und eine Metalllegierung

Konstantstrom, kein Memoryeffekt Nennspannung 1,2V

Bedarfs giftig, aber recyclebar

Li-Ion

Lithium-Ionen, Lithium- Polymere, Lithium-Metall

I/U-Ladeverfahren Nennspannung 3V Selbstentladung 1% pro Monat

Bedarfs giftig

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Version 2

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Version 2

6.5.3 Entwicklungen in der Akkumulator-Technik

Neuere Entwicklungen der Akkumulatoren-Technologie verringern die bisherigen Nachteile von Batte- rie-betriebenen Elektrofahrzeugen nachhaltig. Neuere Lithium-Titanat-Akkumulatoren von Altairnano weisen nach Hersteller-Angaben folgende Eigenschaften auf:

Eine Kapazität, die bei einem normalen PKW für eine Reichweite bis zu 400 km pro Akkuladung aus- reicht.

Resistenz gegen Kälte und Wärme: Betriebstemperatur von -50 °C bis +75 °C bei noch ca. 90 % Ka- pazität bei extremen Temperaturen. Auch wird keinerlei Kühlung o. ä. bei der Ladung benötigt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien können die Batterien durch das geänderte Material weder Feuer fangen noch explodieren. Dadurch spart man ein Sicherheitssystem, wie es z. B.

beim Elektrosportwagen Tesla Roadster zum Einsatz kommen muss.

Eine lange Lebensdauer der Batterien von mehr als 20 Jahren bzw. einer maximalen Zyklenzahl von 10.000 bis 15.000, das entspräche theoretisch 6.000.000 gefahrenen Kilometern bei einer Reichweite von 400 km pro Akkuladung. In der Praxis würde man die Batterien jedoch häufiger aufladen, womit die Batterien schneller verschleißen.

Es soll möglich werden, die Akkumulatoren in einem Fahrzeug für eine Reichweite von 400 km in weniger als 10 Minuten aufzuladen. Für eine derart schnelle Wiederaufladung ist allerdings eine besonde- re Ladestation erforderlich.

Diese Akkumulatoren werden seit September 2005 in kleinen Stückzahlen an die Firma Phoenix Mo- torcars in Reno (Nevada, USA), die Fahrzeuge mit Platz für 5 Personen und einer Ladefläche herstellt, die von diesen Batterien angetrieben werden. Ab 2008 soll ein entsprechend angetriebenes Sportfahr- zeug (Sport Utility Vehicle, kurz: SUV) produziert werden.

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 7 PRIMÄR- UND SEKUNDÄRELEMENTE

Version 2

6.6 Batterien- und Akkumulatoren-Vergleichstabelle

Generell sind fast alle Batterien auch als Akkus erhältlich, die dann in der Regel etwas weniger Leistung erbringen.

Bei den meisten Anwendungen ist dies weniger von Bedeutung, das heißt, der Leistungsverlust steht gegenüber der Kostenersparnis zurück.

Europa, JIS (Inter- national)

USA

ANSI IEC Bezeich-

nung Duracel Visualisierung Ø, Länge

Abmessung

Kapatität [mAh]

Spannungen [V]

AAAA E96

LR61 Mini ¹ 8,3 x 42,5 300 … 600 1,5

UM-5

(AM-5) N R1

LR1 Lady MN9100 ² 11,5 x 29,5 … 400 1,5

1,2¹ UM-4

(AM-4) AAA R03

LR03 Micro MN2400 ³ 10,5 x 44,5 370 … 1450 1,5

1,2¹ UM-3

(AM-3) AA R6

LR6 Mignon MN1500 ⁴ 14,5 x 50,5 400 …3900 1,5

1,2¹

1/4AA Mignon ⁵ 14,5 x 14,0 1,5

1,2¹

1/3AA Mignon ⁶ 14,5 x 17,0 1,5

1,2¹

1/2AA Mignon ⁷ 14,5 x 25,1 1,5

1,2¹

2/3AA Mignon ⁸ 14,5 x 33,5 1,5

1,2¹

A ⁹ 17,0 x 44,5 … 1400 1,5

1,2¹

1/2A ¹⁰ 17,0 x 22,5 … 700 1,5

1,2¹

2/3A ¹¹ 17,0 x 33,4 1,5

1,2¹ UM-2

(AM-2) C R14

LR14 Baby MN1400 ¹² 26,2 x 50,0 4000 … 20000 1,5

1,2¹

UM-1

(AM-1) D R20

LR20 Mono MN1300 ¹³ 34,2 x 61,2 … 5800 1,5

1,2¹

F ¹⁴ 33 x 91 … 8500 1,2¹

2R10 Duplex ¹⁵ 20 x 75 ... 1500 3,0

6F22

(6AM-6) PP3 6R61 9 Volt

Block MN1604 ¹⁶ 26,5 x 17,5 x

48,5 190 … 600 9,0

Lithium CR2 ¹⁷ Photobatterie

27,0 x 15,6 … 850 3,0¹

L, AM bedeutet grössere Leistung

1 Akkumulatoren

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 7 PRIMÄR- UND SEKUNDÄRELEMENTE

Version 2

6.6.1 Auswahlkriterien für Batterien und Akkumulatoren

1 Bemessungsspannung

2 Bemessungskapazität (entnehmbare Ladekapazität) 3 Energiedichte

4 Spannungskonstanz (während der Entladung) 5 Überlastverträglichkeit

6 Zuverlässigkeit 7 Lebensdauer 8 Lecksicherheit

9 Lagerfähigkeit (Selbstentladung) 10 Umweltverträglichkeit

11 Grösse und Gewicht 12 Anschlussmöglichkeit 13 Temperaturbedingungen 14 Preis

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 8 GALVANISIEREN

Version 2

6.7 Galvanisieren

Das Gesetz von Faraday:

Lässt man durch äussere Kräfte durch einen Elektrolyt Gleichstrom fliessen, so wandern die positiven Ionen (Kationen, z.B. Metall)

zur negativen Elektrode (Kathode), die negativen Ionen (Anionen) zur positiven Elektrode (Anode)

t I

Q= ⋅ [As]

Die abgeschiedene Stoffmenge verhält sich proportional zu Strom und Zeit.

Zudem ist der elektrochemische Beiwert eines Materials, das elektrochemische Äquivalent, zu berücksichtigen; dieses ist wiederum abhängig von Atom- und Molekulargewicht swie der Wertigkeit eines Ions.

η

⋅

= I t c

m [g,mg] m abgeschiedene Stoffmenge [ ]^g ,[^mg]

I

^Strom ^{[ ]}^A

t

^Zeit ^{[ ]}^s

c elektrochemisches Äquivalent [^g ^/ ^Ah] [^mg ^/ ^As]

η

Stromausbeute [ ]⁻

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 8 GALVANISIEREN

Version 2

(24)

6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 9 NETZERSATZANLAGEN

Version 2

6.8 Netzersatzanlagen

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6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 10 NETZERSATZANLAGEN

Version 2

6.9 Brennstoffzellen

In einer Brennstoffzelle wird die bei der Oxidation eines Brennstoffes freiwer- dende chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann mehr Energie in nutzbare Arbeit umgewandelt werden als mit einem Verbrennungsmotor, bei dem Energie als Abwärme verlorengeht.