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Forschung!


© Dagmar Heene / WWF
2°Campus: Forschungsbericht Mobilität aus Münster


von nnamrrehdlopoel
01.08.2012
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Montag, 23. Juli 2012
Wir kamen erst gegen Mittag in Münster an und hatten am Montag nur noch etwa eine Stunde Zeit, um unsere Forschungsvorhaben in Erinnerung zu rufen:

Quelle: meet

Ein Lithium-Ionen-Akku besitzt eine Graphit-Anode (hier blau dargestellt), die aus übereinander liegenden Graphitschichten besteht, und einer Kathode (hier rosa dargestellt), die typischerweise aus einem Metalloxidgitter besteht, welches Lithium-Kationen (grün dargestellt) einlagern kann. Diese sind positiv geladen. Da beim Laden des Akkus die Anode negativ geladen wird, bewegen sich die Li-Ionen dorthin und zwängen sich zwischen die Graphitschichten. Beim Entladen streben die Ionen aus den Schichten wieder heraus und werden vom Metalloxidgitter der Kathode wieder aufgenommen. Um die Ladungen auszugleichen passieren die Elektronen einen äußeren Stromkreis – der Strom fließt und kann von einem Verbraucher genutzt werden.

Bei unserer Abwandlung der herkömmlichen Li-Ionen Batterie, die teure Metalloxidgitter als Kathode beinhaltet, wird Graphit zusätzlich auch als Kathodenmaterial verwendet. Dies spart Kosten und Gewicht. Ähnlich wie beim normalen Akku werden Li-Ionen in die Graphit-Anode eingelagert; diese kommen allerdings nicht aus der Kathode, sondern aus dem Elektrolyten, einer Flüssigkeit zwischen den Elektroden, die für den Ionentransfer zuständig ist. Um die Ladung auszugleichen, bewegen sich Anionen, z.B. Perchlorat-Anionen (rot) in die Gegenrichtung, in die positiv geladene Graphitelektrode. Beim Entladen rutschen die Ionen wie im „normalen“ Akku in die Lösung und liefern ebenfalls so Strom.

Wir sprachen dann mit unserem Mentor Sergej noch über die nächsten Tage und er zeigte uns die Stoffe, die wir zum Basteln und Testen unserer Akkus benötigen: Graphitstäbe (d.h. Bleistiftminen), Propylencarbonat (PC, der Elektrolyt) und Lithiumperchlorat (ein Salz, das die Ionen für die Reaktionen liefert).

Dienstag, 24. Juli
Wir begannen mit dem Bau eines Akkus unserer Bauweise. Dazu stellten wir zuerst eine 1 molare Lithiumperchlorat-PC-Lösung her. Das heißt, dass ein Mol Lithiumperchlorat-Moleküle auf einen Liter PC kommen. Wieviel das bei 20 ml PC (so viel passt in eine Dose) ist, habe ich bereits am Vorabend berechnet (2,13 g). Wir schlossen dann verschiedene Kästen etc. zusammen und bauten so einen Stromkreis, um den Akku zu laden: Ein Labornetzteil, das einen festgelegten Strom bei einer festgelegten Spannung liefert; der Akku, bestehend aus einem Plastikbehälter, gefüllt mit unserer Elektrolyt-Ionen-Lösung und angeschlossen mit zwei auseinandergehaltenen Graphit-Elektroden, ein Spannungs- und Strommessgerät und ganz viele Kabel. Wir steckten alles zusammen, stellten das Netzgerät auf 1 V (niedrigste für den Elektrolyten verträgliche Spannung) und schalteten es an.

An dem Akku passierte nichts. Das war aber durchaus erwünscht, eine Rauch- oder Bläschenentwicklung würde darauf hinweisen, dass irgendetwas furchtbar schiefläuft; ein Handyakku raucht ja auch nicht beim Laden. Aber die Messgeräte registrierten einen Stromfluss, woraus wir schlossen, dass der Akku lädt. Wir erhöhten die Spannung langsam bis auf 5 V (höchste für den Elektrolyten verträgliche Spannung) und warteten dann 10 min. Dabei merkten wir, dass sich auf der Seite mit den großen Perchlorat-Ionen der Graphit in feinen Partikeln abbröckelte. Sergej erklärte, dass dies auf die großen Anionen zurückzuführen sei, die die Graphitschichten auseinanderdrückten, sodass diese auseinanderfielen. Nun haben wir den Akku zum ersten Mal entladen, indem wir eine LED daran anschlossen. Und die Freude war groß, als wir sahen, dass sie tatsächlich zu Leuchten begann. Leider hörte die Lampe schon nach kurzer Zeit wieder auf zu strahlen. Dann luden wir den Akku wieder auf und testeten, ob das Einlagern von Lithium funktioniert hatte. Das funktioniert sehr einfach: Man zündet den Graphitstab an und schaut, ob sich die Flamme rot färbt, denn verbrennendes Lithium färbt Flammen rot. Der Erfolg war auch hier eher mäßig, denn die Flamme war kaum bis gar nicht rot.

Also zeigte uns Sergej einen Ausweg: Graphitplatten. Diese haben eine viel größere Oberfläche als Graphitstäbe und können sich deutlich näher kommen, was den Ionenfluss verbessert. Sie dürfen sich jedoch nicht berühren, da es so zu einem Kurzschluss käme. Also benötigt man einen Separator, der die beiden Seiten für Stromdurchfluss trennt. Dies kann zum Beispiel ein zwischen die Platten geklemmtes Blatt Papier sein. Dann testeten wir den Akku erneut, nur diesmal eben mit den Platten und einem Kunststoff-Vlies-Separator.

Auch dieser Versuch hatte jedoch zwei Probleme: Der Vlies-Separator wurde vom Elektrolyten nur unzureichend benetzt, sodass das Auf- und Entladen durch den fehlenden Ionenfluss stark behindert wurde, andererseits berührten die heruntergerieselten Graphitpartikel der Kathode die Anode, sodass ein Kurzschluss-Strom floss und den Akku lahmlegte. Also verwendeten wir ab diesem Zeitpunkt immer einen Beutel als Separator, der die Kathode samt allem zerfallenen Graphit von der Anode isolierte, und wir benutzten diesmal gewöhnliches Papier, das sehr gut durchtränkt wurde. So starteten wir sehr viele Versuche mit diesem fast immer gleichen Aufbau und erzielten gute Ergebnisse.

Hier sieht man eindeutig, wie sich die Kathode zersetzt hat.

Wir maßen die Zeit, Spannung und Stromstärke beim Laden und beim Entladen durch einen kleinen Motor und speicherten alle Messdaten auf dem Computer. Dann versuchten wir noch etwas: Wir wollten ein ferngesteuertes Modellauto mit unserer Batterie betreiben. Dazu bauten wir auf der einen Seite einige Anoden hintereinander und auf der anderen einige Kathoden. Diese lieferte jedoch zu wenig Spannung und zu wenig Strom. Also wollten wir eine große Dose nehmen und immer abwechselnd Anoden und Kathoden verwenden um die Leistung zu verbessern. Sergej wollte sich um die passenden Behälter für den Akku kümmern.

Das Modellauto mit zwei Akkus im Gepäck

Mittwoch, 25. Juli
Als wir am Morgen die Versuchsreihen fortsetzen wollten, bekamen wir einen großen Schrecken: Alle unsere gestern schön zusammengetragenen Daten waren weg. Dies lag daran, dass der Computer so eingestellt war, dass er alle Daten beim Herunterfahren löscht. Die Daten waren weg und wir hatten nicht mehr genug Zeit, um alle wieder neu zu messen. Also maßen wir nur die wichtigsten nach und versuchten uns währenddessen wieder am neuen Akku fürs Auto: Sergej brachte uns einen Behälter hierfür mit und wir bauten insgesamt 40 Elektroden, davon jede zweite als vom Separator ummantelte Kathode. Um eine höhere Spannung zu erzeugen, teilten wir den Akku in zwei Zellen. Leider war die Zeit nach dem Elektroden-Basteln bereits fast vorbei und wir mussten das Testen auf den nächsten Tag verschieben.

Unser großer Akku mit 40 Graphit-Elektroden.

Am Nachmittag fuhren wir mit einem Opel Ampera (Freundlicherweise vom Autohaus Rüschkamp Lünen zur Verfügung gestellt) und einem Mitsubishi i MiEV (Zur Verfügung gestellt von den Stadtwerken Münster) nach Steinfurt zu einer Fachhochschule, wo wir die Energiegruppe begleiteten und einiges über Photovoltaikanlagen lernten.

Donnerstag, 26. Juli
Obwohl wir nicht mehr als anderthalb Stunden zum Testen hatten, war auch dieser Tag weiter spannend. Wir luden unsere Modellauto-Batterie auf, doch wir mussten immer nach kurzer Zeit wieder abbrechen, da sich vereinzelt Rauch entwickelte und wir vermeiden wollten, dass uns der Akku in Flammen aufging. Außerdem stiegen an einigen Stellen Bläschen auf und unsere Befürchtung war, dass der Akku über Nacht Wasser aus der Umgebungsluft gezogen haben könnte und daraus nun beim Laden hochexplosiver Wasserstoff entwickelte. Dennoch lieferte der Akku nach einer knappen Minute des Ladens gut sieben Minuten lang Strom für den Betrieb eines kleinen Motors. Eventuell war er also doch bereits gut geladen. Jedenfalls hätte man unter professionelleren Bedingungen durchaus noch bessere Ergebnisse erzielen können.
Solche hatten wir den restlichen Vormittag am MEET, derm Batterieforschungszentrum der Universität Münster: Uns wurden nicht nur ein Elektronenmikroskop, Röntgenfluoreszenzanalyse und andere komplizierte, interessante und teure Geräte gezeigt, sondern auch Batteriezyklisierer, die zeitgleich über Tausend Akkus tagelang laden und entladen können. An diesen Zyklisierer durften auch wir unseren Prototypen anschließen. Allerdings klappten die Messungen nicht, weil wir beim Zusammenbau der Standartzelle wahrscheinlich etwas falsch gemacht haben. Sergej wird die Messung wiederholen, sobald er wieder in Münster ist.

Dies ist eine sogenannte Swagelok-Zelle, in der sich ein kleiner, luftdicht abgeschlossener Akku befindet. Die Zelle kann man an den Zyklisierer anschließen und diese wird dann immer wieder ge- und entladen.

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Kommentare (1)
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02.08.2012
LSternus hat geschrieben:
Sehr interessant und vielleicht sind eure Versuche in ein paar Jahren Standarts.

Im Übrigen ist Wasserstoff nur explosiv, wenn er mit Sauerstoff in Verbindung kommt.
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