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2026-07-27T14:06:19Z

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= Akkumulatoren - Chemie =

[[Datei:Secondary Cell Diagram.svg|500px|rahmenlos|center]]

Ein '''Akkumulator''', kurz '''Akku''', ist eine wiederaufladbare [[Elektrochemische Zelle|elektrochemische Zelle]]. Beim Entladen wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Beim Laden erzwingt eine äußere Spannungsquelle die Reaktion in umgekehrter Richtung. Akkumulatoren gehören deshalb zu den wichtigsten Anwendungen von [[Redoxreaktion|Redoxreaktionen]], [[Galvanische Zelle|galvanischen Zellen]] und [[Elektrolyse|Elektrolysezellen]].

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=gifwGurgfVk |500|center}}

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= Einleitung =

Akkumulatoren versorgen Smartphones, Fahrräder, Fahrzeuge, Werkzeuge und stationäre Energiespeicher. Chemisch betrachtet bestehen sie aus mindestens zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Ein Separator hält die Elektroden räumlich getrennt, lässt aber Ionen passieren.

In diesem aiMOOC lernst Du, wie Laden und Entladen zusammenhängen, welche Teilreaktionen an den Elektroden ablaufen und warum Blei-, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Akkumulatoren unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Du vergleichst außerdem Spannung, Kapazität, Energie, Leistung, Alterung, Sicherheit und Umweltwirkungen.

'''Merksatz:''' Ein Akku speichert Energie nicht als frei bewegliche Elektronen, sondern überwiegend in chemischen Zuständen. Erst beim Entladen fließen Elektronen durch den äußeren Stromkreis.

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= Aufbau eines Akkumulators =

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== Elektroden, Elektrolyt und Separator ==

Jede Akkumulatorzelle besitzt eine '''negative Elektrode''' und eine '''positive Elektrode'''. Die Elektroden enthalten Stoffe, die Elektronen abgeben oder aufnehmen können. Der '''Elektrolyt''' leitet Ionen zwischen den Elektroden. Der '''Separator''' verhindert den direkten Kontakt der Elektroden und damit einen inneren Kurzschluss. Stromableiter führen die Elektronen zum äußeren Stromkreis.

[[Datei:Swissroll-battery-english.svg|500px|rahmenlos|center]]

Viele technische Zellen sind als Wickel oder als gestapelte Schichten aufgebaut. Eine große Oberfläche verkürzt die Wege für Ionen und Elektronen und ermöglicht höhere Ströme. Gleichzeitig muss der Separator dünn, ionendurchlässig und mechanisch zuverlässig sein.

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== Entladen: galvanischer Betrieb ==

Beim Entladen arbeitet der Akku als [[Galvanische Zelle|galvanische Zelle]]. Eine freiwillig ablaufende Redoxreaktion liefert elektrische Energie.

An der '''Anode''' findet die '''Oxidation''' statt. Dabei werden Elektronen abgegeben. Beim Entladen ist die Anode die negative Elektrode. An der '''Kathode''' findet die '''Reduktion''' statt. Sie nimmt Elektronen auf und ist beim Entladen die positive Elektrode.

Die Elektronen fließen durch den äußeren Leiter von der negativen zur positiven Elektrode. Ionen wandern gleichzeitig durch den Elektrolyten, damit im Inneren keine dauerhafte Ladungstrennung entsteht.

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== Laden: elektrolytischer Betrieb ==

Beim Laden wirkt der Akku als [[Elektrolyse|Elektrolysezelle]]. Das Ladegerät legt eine Spannung an, die den Elektronenfluss und die Ionenwanderung umkehrt. Die Reaktionsprodukte der Entladung werden möglichst weit in die Ausgangsstoffe zurückverwandelt.

Die Umkehr ist nie vollkommen verlustfrei. Innenwiderstand, Wärmeentwicklung und Nebenreaktionen führen dazu, dass mehr elektrische Energie zugeführt werden muss, als später wieder entnommen werden kann.

'''Begriffliche Vorsicht:''' Anode bedeutet immer Ort der Oxidation und Kathode immer Ort der Reduktion. Beim Laden wechseln diese Reaktionsorte. In der Batterietechnik spricht man deshalb häufig dauerhaft von positiver und negativer Elektrode.

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= Elektrische Kenngrößen =

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== Spannung, Kapazität und Energie ==

Die '''Zellspannung''' hängt vor allem von den verwendeten Redoxpaaren ab. Die '''Kapazität''' beschreibt, wie viel elektrische Ladung eine Zelle liefern kann. Sie wird meist in Amperestunden angegeben.

<math>1\,\mathrm{Ah}=3600\,\mathrm{C}</math>

Die idealisierte elektrische Energie ergibt sich näherungsweise aus Spannung und Kapazität:

<math>E \approx U \cdot Q</math>

Für eine Zelle mit <math>U=3{,}7\,\mathrm{V}</math> und <math>Q=2{,}5\,\mathrm{Ah}</math> gilt:

<math>E \approx 3{,}7\,\mathrm{V}\cdot 2{,}5\,\mathrm{Ah}=9{,}25\,\mathrm{Wh}</math>

Die '''Leistung''' gibt an, wie schnell Energie umgesetzt wird:

<math>P=U\cdot I</math>

Ein Akku kann eine große Energie speichern und trotzdem ungeeignet für sehr hohe Leistungen sein. Dafür sind unter anderem Innenwiderstand, Temperatur, Zellchemie und Bauform entscheidend.

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== Reihen- und Parallelschaltung ==

[[Datei:Łączenie akumulatorów.svg|600px|rahmenlos|center]]

Bei einer idealen '''Reihenschaltung''' addieren sich die Spannungen:

<math>U_\mathrm{ges}=U_1+U_2+\ldots+U_n</math>

Die Kapazität in Amperestunden bleibt bei identischen Zellen ungefähr so groß wie bei einer Einzelzelle. Bei einer idealen '''Parallelschaltung''' bleibt die Spannung gleich, während sich die Kapazitäten addieren:

<math>Q_\mathrm{ges}=Q_1+Q_2+\ldots+Q_n</math>

Zellen dürfen nicht beliebig kombiniert werden. Unterschiedliche Ladezustände, Zelltypen oder Alterungszustände können Ausgleichsströme und Überlastungen verursachen. Lithium-Akkupacks benötigen deshalb ein geeignetes [[Batteriemanagementsystem|Batteriemanagementsystem]].

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== C-Rate, Wirkungsgrad und Selbstentladung ==

Die '''C-Rate''' beschreibt den Strom im Verhältnis zur Nennkapazität. Bei idealisierten Bedingungen würde eine Entladung mit 1 C etwa eine Stunde dauern, mit 0,5 C etwa zwei Stunden. In der Praxis verändern hohe Ströme die nutzbare Kapazität und erhöhen die Wärmeentwicklung.

Der '''Wirkungsgrad''' vergleicht abgegebene mit zugeführter Energie. Die '''Selbstentladung''' beschreibt den Ladungsverlust während der Lagerung ohne angeschlossenen Verbraucher. Beide Größen hängen von Zellchemie, Temperatur, Alter und Ladezustand ab.

[[Datei:Prinzipieller Verlauf der Strom-Spannungskennlinie eines Akkumulators.svg|450px|rahmenlos|center]]

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= Der Bleiakkumulator =

Der [[Bleiakkumulator]] ist robust, kostengünstig und kann hohe Ströme liefern. Er wird unter anderem als Starterbatterie, in unterbrechungsfreien Stromversorgungen und in stationären Anlagen eingesetzt. Eine Zelle besitzt eine Nennspannung von ungefähr 2 V. Sechs in Reihe geschaltete Zellen ergeben daher eine Batterie mit ungefähr 12 V Nennspannung.

[[Datei:Aufbau Autobatterie.jpg|650px|rahmenlos|center]]

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== Stoffe im Bleiakku ==

Die negative Elektrode enthält Blei <math>\mathrm{Pb}</math>. Die positive Elektrode enthält Blei(IV)-oxid <math>\mathrm{PbO_2}</math>. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure <math>\mathrm{H_2SO_4}</math>.

[[Datei:Bleiakku-de.svg|500px|rahmenlos|center]]

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== Reaktionen beim Entladen ==

An der negativen Elektrode wird Blei oxidiert:

<math>\mathrm{Pb + SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 + 2e^-}</math>

An der positiven Elektrode wird Blei(IV)-oxid reduziert:

<math>\mathrm{PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^- \rightarrow PbSO_4 + 2H_2O}</math>

Die Gesamtreaktion lautet:

<math>\mathrm{Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O}</math>

Beim Entladen entsteht an beiden Elektroden Bleisulfat. Gleichzeitig sinkt die Konzentration der Schwefelsäure, weil Wasser gebildet wird. Beim Laden laufen die Reaktionen in umgekehrter Richtung.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=A4Bqk4ApWAU |500|center}}

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== Eigenschaften und Grenzen ==

Bleiakkumulatoren liefern hohe Startströme und lassen sich gut recyceln. Nachteilig sind ihre große Masse, die giftigen Bleiverbindungen und der ätzende Elektrolyt. Tiefentladung und langes Lagern im entladenen Zustand fördern die Bildung schwer rückwandelbarer Bleisulfatstrukturen.

[[Datei:Cutaway view of a 1953 automotive lead-acid battery.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator =

Der [[Nickel-Metallhydrid-Akkumulator|NiMH-Akkumulator]] wird häufig in wiederaufladbaren AA- und AAA-Zellen eingesetzt. Seine Nennspannung beträgt ungefähr 1,2 V. Die negative Elektrode speichert Wasserstoff in einer Metalllegierung. Die positive Elektrode enthält Nickeloxidhydroxid.

[[Datei:Nickel-Metallhydrid-Batterie.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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== Vereinfachte Entladereaktion ==

An der negativen Elektrode kann die Reaktion vereinfacht so dargestellt werden:

<math>\mathrm{MH + OH^- \rightarrow M + H_2O + e^-}</math>

An der positiven Elektrode gilt vereinfacht:

<math>\mathrm{NiO(OH) + H_2O + e^- \rightarrow Ni(OH)_2 + OH^-}</math>

Die Gesamtreaktion ist:

<math>\mathrm{MH + NiO(OH) \rightarrow M + Ni(OH)_2}</math>

Dabei steht <math>\mathrm{M}</math> für eine wasserstoffspeichernde Metalllegierung und <math>\mathrm{MH}</math> für deren Hydrid.

[[Datei:Charge NiMH.svg|500px|rahmenlos|center]]

NiMH-Zellen sind vergleichsweise robust und enthalten kein Cadmium. Gegenüber Lithium-Ionen-Zellen besitzen sie meist eine geringere spezifische Energie und eine höhere Selbstentladung. Für viele Haushaltsgeräte sind sie dennoch praktisch, weil sie in genormten Zellgrößen angeboten werden.

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= Der Lithium-Ionen-Akkumulator =

Lithium-Ionen-Akkumulatoren besitzen eine hohe spezifische Energie und werden in mobilen Geräten, Elektrowerkzeugen, Elektrofahrzeugen und stationären Speichern eingesetzt. Die genaue Nennspannung hängt von den Elektrodenmaterialien ab und liegt bei vielen Zellchemien ungefähr zwischen 3,2 V und 3,7 V.

[[Datei:18650 and 21700 lithium ion battery cell.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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== Interkalation statt Metallabscheidung ==

In einer typischen Lithium-Ionen-Zelle werden Lithium-Ionen in die Kristallstrukturen der Elektroden eingelagert und wieder ausgelagert. Dieser Vorgang heißt '''Interkalation'''. Die negative Elektrode besteht häufig aus Graphit. Die positive Elektrode kann zum Beispiel ein Lithium-Metalloxid oder Lithium-Eisenphosphat enthalten.

Beim Entladen verlassen Lithium-Ionen die negative Elektrode und wandern durch den Elektrolyten zur positiven Elektrode. Die Elektronen fließen gleichzeitig durch den äußeren Stromkreis.

[[Datei:Chargedischargeorbliion.png|600px|rahmenlos|center]]

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== Vereinfachtes Reaktionsschema ==

Für eine Graphitelektrode kann die Oxidation beim Entladen vereinfacht so geschrieben werden:

<math>\mathrm{Li_xC_6 \rightarrow C_6 + xLi^+ + xe^-}</math>

An der positiven Elektrode werden Lithium-Ionen und Elektronen aufgenommen. Für ein vereinfachtes Metalloxid-Modell gilt:

<math>\mathrm{Li_{1-x}MO_2 + xLi^+ + xe^- \rightarrow LiMO_2}</math>

<math>\mathrm{M}</math> steht hier für ein geeignetes Übergangsmetall oder eine Mischung mehrerer Metalle. Beim Laden laufen die Teilreaktionen in umgekehrter Richtung.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=krRzH0myAOc |500|center}}

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== Schutzschaltungen und Sicherheit ==

Lithium-Ionen-Zellen müssen innerhalb zulässiger Spannungs-, Strom- und Temperaturbereiche betrieben werden. Ein [[Batteriemanagementsystem]] überwacht Zellen, begrenzt Lade- und Entladeströme und kann in mehrzelligen Packs Ladezustände ausgleichen.

Überladung, äußerer Kurzschluss, starke Erwärmung oder mechanische Beschädigung können zu gefährlicher Wärmeentwicklung führen. Eine sich selbst verstärkende Erwärmung wird als '''thermisches Durchgehen''' bezeichnet. Verwende deshalb nur passende Ladegeräte, öffne oder durchbohre keine Zellen und benutze beschädigte oder aufgeblähte Akkus nicht weiter.

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= Vergleich wichtiger Akkutypen =

{| class="wikitable"
! Akkutyp
! Ungefähre Nennspannung pro Zelle
! Typische Stärke
! Typische Grenze
! Beispiele
|-
| Bleiakku
| etwa 2 V
| hohe Ströme, robuste Technik
| hohe Masse, Blei und Schwefelsäure
| Starterbatterie, Notstrom
|-
| NiMH
| etwa 1,2 V
| genormte Rundzellen, vergleichsweise robust
| höhere Selbstentladung und geringere spezifische Energie als viele Lithium-Ionen-Zellen
| Kamera, Spielzeug, Haushaltsgerät
|-
| Lithium-Ionen
| häufig etwa 3,2 bis 3,7 V
| hohe spezifische Energie
| genaue Ladeführung und Schutzschaltung nötig
| Smartphone, E-Bike, Elektroauto
|}

[[Datei:Secondary cell energy density.svg|550px|rahmenlos|center]]

Die Auswahl eines Akkutyps hängt nicht nur von der Energiedichte ab. Auch Leistung, Temperaturbereich, Zyklenfestigkeit, Sicherheit, Kosten, Rohstoffe, Reparierbarkeit und Recycling müssen berücksichtigt werden.

{{BR}}
= Alterung von Akkumulatoren =

Akkus altern sowohl durch Nutzung als auch durch Lagerung. '''Zyklische Alterung''' entsteht durch Lade- und Entladevorgänge. '''Kalenderalterung''' findet auch ohne Nutzung statt.

Bei Lithium-Ionen-Zellen können sich Grenzschichten verändern, Elektrolytbestandteile zersetzen und aktive Materialien mechanisch geschädigt werden. Hohe Temperaturen, lange Lagerung bei sehr hohem Ladezustand, starke Ströme und tiefe Entladung können die Alterung beschleunigen. Wie stark diese Einflüsse wirken, hängt von der Zellchemie und der Konstruktion ab.

Ein '''Vollzyklus''' muss nicht einer einzigen Ladung von 0 auf 100 Prozent entsprechen. Mehrere Teilzyklen können zusammen einem äquivalenten Vollzyklus entsprechen.

{{BR}}
= Sicherheit, Umwelt und Recycling =

[[Datei:Safety and warning signs (pictograms) on a lead-acid automobile battery.jpg|600px|rahmenlos|center]]

Akkumulatoren enthalten wertvolle, teilweise problematische Stoffe. Deshalb gehören sie nicht in den Hausmüll. Sammel- und Recyclingsysteme ermöglichen die Rückgewinnung von Metallen und verhindern, dass Elektrolyte oder Schwermetalle unkontrolliert in die Umwelt gelangen.

Für die Umweltbewertung reicht es nicht, nur die Nutzung zu betrachten. Rohstoffgewinnung, Zellherstellung, Transport, Lebensdauer, Energiequelle beim Laden, mögliche Zweitnutzung und Recycling gehören zu einer [[Lebenszyklusanalyse]].

[[Datei:20240706 Energy storage - renewable energy - battery - 100 ms.gif|600px|rahmenlos|center]]

'''Sicherheitsregeln für die Schule:''' Arbeite nur mit intakten, für den Versuch freigegebenen Zellen. Vermeide Kurzschlüsse. Öffne keine Akkus. Beende einen Versuch sofort, wenn eine Zelle ungewöhnlich warm wird, sich verformt, riecht oder Flüssigkeit austritt. Lithium-Akkupacks dürfen nur mit geeigneter Schutz- und Ladetechnik verwendet werden.

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= Schulversuch: Entladekurve untersuchen =

Mit einer intakten NiMH-Zelle, einem geeigneten Batteriehalter, einem festgelegten Verbraucher, einem Multimeter oder Datenlogger und der Aufsicht einer Lehrkraft kannst Du eine Entladekurve aufnehmen. Die Zelle wird nicht geöffnet und niemals direkt kurzgeschlossen.

Miss in gleichmäßigen Zeitabständen die Spannung unter Last. Stelle anschließend <math>U</math> gegen die Zeit dar. Aus Spannung und Strom kannst Du die momentane Leistung <math>P=U\cdot I</math> bestimmen. Vergleiche die Kurve mit der Ruhespannung nach kurzen Entlastungsphasen.

Die Messung zeigt, dass die Spannung nicht während der gesamten Entladung konstant bleibt. Außerdem lässt sich untersuchen, wie Innenwiderstand, Temperatur und Belastungsstrom das Verhalten beeinflussen.

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= Häufige Denkfehler =

'''„Ein Akku enthält gespeicherten Strom.“''' Tatsächlich speichert er überwiegend chemische Energie. Strom fließt erst in einem geschlossenen Stromkreis.

'''„Anode ist immer negativ.“''' Die Anode ist der Ort der Oxidation. Beim Entladen eines Akkus ist sie negativ, beim Laden ändern sich die Reaktionsrollen.

'''„Mehr Amperestunden bedeuten immer mehr Energie.“''' Die Energie hängt zusätzlich von der Spannung ab. Entscheidend ist näherungsweise das Produkt <math>U\cdot Q</math>.

'''„Jeder Akku kann mit jedem Ladegerät geladen werden.“''' Ladeverfahren und Grenzwerte müssen zur Zellchemie und zum Akkupack passen.

{{BR}}
= Zusammenfassung =

Ein Akkumulator ist eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle. Beim Entladen läuft eine freiwillige Redoxreaktion ab und liefert elektrische Energie. Beim Laden wird die Reaktion durch eine äußere Spannung weitgehend umgekehrt.

Bleiakkus arbeiten mit Blei, Blei(IV)-oxid und Schwefelsäure. NiMH-Akkus speichern Wasserstoff in einer Metalllegierung. Lithium-Ionen-Akkus transportieren Lithium-Ionen zwischen Einlagerungsstrukturen. Jeder Typ besitzt eigene Vorteile, Grenzen und Sicherheitsanforderungen.

Für die Bewertung eines Akkus sind Zellspannung, Kapazität, Energie, Leistung, Selbstentladung, Wirkungsgrad, Lebensdauer, Sicherheit und Umweltwirkung gemeinsam zu betrachten.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Was kennzeichnet einen Akkumulator?'''
(Er ist eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle)
(!Er erzeugt Energie ohne chemische Reaktion)
(!Er enthält nur eine einzige Elektrode)
(!Er kann grundsätzlich nicht entladen werden)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Reaktion findet beim Entladen an der Anode statt?'''
(Oxidation)
(!Reduktion)
(!Neutralisation)
(!Destillation)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aufgabe hat der Separator?'''
(Er verhindert den direkten Kontakt der Elektroden und lässt Ionen passieren)
(!Er leitet Elektronen durch den äußeren Stromkreis)
(!Er erhöht die Masse des Elektrolyten)
(!Er erzeugt die Ladespannung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welcher Stoff entsteht beim Entladen eines Bleiakkus an beiden Elektroden?'''
(Bleisulfat)
(!Lithiumcarbonat)
(!Nickelmetall)
(!Sauerstoffgas)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welchem Zelltyp entspricht ein Akku beim Laden?'''
(Einer Elektrolysezelle)
(!Einer Brennstoffzelle ohne Energiezufuhr)
(!Einem Kondensator ohne Elektrolyt)
(!Einem Transformator)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wohin wandern Lithium-Ionen beim Entladen einer typischen Lithium-Ionen-Zelle?'''
(Von der negativen zur positiven Elektrode)
(!Vom äußeren Leiter in den Separator)
(!Von der positiven Elektrode in das Ladegerät)
(!Sie bewegen sich beim Entladen überhaupt nicht)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Gleichung beschreibt näherungsweise die gespeicherte elektrische Energie?'''
(Energie gleich Spannung mal Kapazität)
(!Energie gleich Spannung geteilt durch Kapazität)
(!Energie gleich Widerstand mal Zeit)
(!Energie gleich Stromstärke geteilt durch Spannung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was geschieht bei einer Reihenschaltung identischer Zellen?'''
(Die Spannungen addieren sich)
(!Die Spannung wird immer null)
(!Die Zellchemie ändert sich)
(!Die Elektrolyte verschwinden)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welcher Faktor kann die Alterung eines Lithium-Ionen-Akkus beschleunigen?'''
(Hohe Temperatur)
(!Ein geeigneter Ladezustand für die Lagerung)
(!Eine funktionierende Schutzschaltung)
(!Eine geringe mechanische Belastung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie werden ausgediente Akkumulatoren richtig behandelt?'''
(Sie werden über vorgesehene Sammel- und Recyclingsysteme abgegeben)
(!Sie werden im Hausmüll entsorgt)
(!Sie werden geöffnet und ausgespült)
(!Sie werden im Freien verbrannt)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Oxidation || Elektronenabgabe
|-
| Reduktion || Elektronenaufnahme
|-
| Elektrolyt || Ionenleiter
|-
| Separator || Schutz vor innerem Kurzschluss
|-
| Bleiakku || Schwefelsäure
|-
| Nickel-Metallhydrid || Wasserstoffspeichernde Legierung
|-
| Lithium-Ionen-Zelle || Interkalation
|-
| Kapazität || Amperestunde
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Elektrolyt'''
| Transport von Ionen
|-
| '''Äußerer Leiter'''
| Transport von Elektronen
|-
| '''Separator'''
| Räumliche Trennung der Elektroden
|-
| '''Anode'''
| Ort der Oxidation
|-
| '''Kathode'''
| Ort der Reduktion

|}
{{E}}

<br>
...
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Elektrolyt || Welcher Bestandteil leitet Ionen zwischen den Elektroden?
|-
| Separator || Welcher Bestandteil verhindert den direkten Kontakt der Elektroden?
|-
| Oxidation || Wie heißt eine Reaktion mit Elektronenabgabe?
|-
| Kathode || An welchem Reaktionsort findet die Reduktion statt?
|-
| Interkalation || Wie heißt die Einlagerung von Lithium-Ionen in eine Kristallstruktur?
|-
| Bleisulfat || Welcher Stoff entsteht beim Entladen des Bleiakkus an beiden Elektroden?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Akkumulatoren+Chemie </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Ein Akkumulator ist eine { wiederaufladbare } elektrochemische Zelle.
Beim Entladen arbeitet der Akku als { galvanische } Zelle.
An der Anode findet die { Oxidation } statt.
Der Elektrolyt transportiert { Ionen } zwischen den Elektroden.
Der Separator verhindert einen inneren { Kurzschluss }.
Beim Laden wird elektrische Energie in { chemische } Energie umgewandelt.
Im Bleiakku entsteht beim Entladen an beiden Elektroden { Bleisulfat }.
In Lithium-Ionen-Zellen werden Lithium-Ionen häufig durch { Interkalation } gespeichert.
Die elektrische Energie ergibt sich näherungsweise aus Spannung mal { Kapazität }.
Ausgediente Akkus gehören in ein geeignetes { Sammelsystem }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===
# [[Akku-Steckbrief]]: Erstelle einen Steckbrief zu Bleiakku, NiMH- oder Lithium-Ionen-Akku mit Stoffen, Zellspannung, Anwendung und Sicherheitsregel.
# [[Bauteile beschriften]]: Zeichne eine Akkumulatorzelle und beschrifte Elektroden, Elektrolyt, Separator, Ionenweg und Elektronenweg.
# [[Alltagsinventur]]: Suche in Deinem Alltag fünf Geräte mit Akkumulatoren und ordne die vermutete Zellchemie zu.
# [[Begriffe erklären]]: Produziere eine einminütige Audioerklärung zu Oxidation, Reduktion, Anode und Kathode.

{{BR}}
=== Standard ===
# [[Entladekurve auswerten]]: Werte eine vorgegebene Spannungs-Zeit-Kurve aus und markiere Plateau, Spannungsabfall und Entladeschluss.
# [[Akkutypen vergleichen]]: Entwickle eine Vergleichstabelle für ein Fahrradlicht, einen Akkuschrauber und eine Notstromanlage.
# [[Erklärvideo planen]]: Erstelle ein Storyboard, das den Elektronen- und Ionenfluss beim Laden und Entladen zeigt.
# [[Recycling recherchieren]]: Untersuche den Weg eines Altakkus von der Sammlung bis zur Rückgewinnung wichtiger Stoffe und dokumentiere Deine Quellen.

{{BR}}
=== Schwer ===
# [[Redoxgleichungen herleiten]]: Leite aus den Teilgleichungen des Bleiakkus die Gesamtgleichung her und überprüfe Atome und Ladungen.
# [[Akkupack modellieren]]: Plane aus vorgegebenen identischen Zellen eine Reihen- oder Parallelschaltung und begründe Spannung, Kapazität und Schutzbedarf.
# [[Lebenszyklus bewerten]]: Vergleiche zwei Akkutypen für eine Anwendung anhand von Rohstoffen, Herstellung, Nutzung, Lebensdauer und Recycling.
# [[Messprojekt entwickeln]]: Entwirf unter Aufsicht einer Lehrkraft einen sicheren Versuch zum Einfluss des Belastungsstroms auf die Entladekurve einer NiMH-Zelle.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Auswahlentscheidung]]: Ein Gerät benötigt geringe Masse, hohe Energie und häufiges Laden. Begründe, welcher Akkutyp geeignet sein könnte und welche Schutzmaßnahmen erforderlich sind.
# [[Fehleranalyse Laden]]: Beurteile die Aussage „Beim Laden werden neue Elektronen im Akku erzeugt“ und formuliere eine fachlich korrekte Erklärung.
# [[Reaktionsvergleich]]: Vergleiche den Stofftransport im Bleiakku mit der Interkalation in einer Lithium-Ionen-Zelle.
# [[Schaltungsproblem]]: Erkläre, wie sich Spannung und Kapazität ändern, wenn vier identische Zellen einmal in Reihe und einmal parallel geschaltet werden.
# [[Alterungsszenario]]: Zwei gleiche Akkus werden unterschiedlich gelagert, einer kühl bei mittlerem Ladezustand und einer heiß bei sehr hohem Ladezustand. Begründe, warum sie unterschiedlich altern können.
# [[Sicherheitsentscheidung]]: Entwickle einen Handlungsplan für einen beschädigten oder aufgeblähten Geräteakku, ohne die Zelle zu öffnen oder weiter zu laden.
# [[Nachhaltigkeitsurteil]]: Bewerte die Aussage „Akkumulatoren sind immer umweltfreundlich“, indem Du Herstellung, Nutzung, Lebensdauer und Recycling einbeziehst.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

# den Aufbau einer Akkumulatorzelle fachsprachlich korrekt darstellen kannst,
# Elektronenfluss und Ionenwanderung beim Laden und Entladen unterscheidest,
# Oxidation und Reduktion den Elektroden zuordnest,
# mindestens eine Akkureaktion mit ausgeglichenen Teil- und Gesamtgleichungen erklärst,
# Spannung, Kapazität, Energie und Leistung voneinander abgrenzt,
# Reihen- und Parallelschaltung auf ein Akkupack überträgst,
# Blei-, NiMH- und Lithium-Ionen-Akkus begründet vergleichst,
# Alterung, Sicherheitsrisiken und Schutzmaßnahmen erklärst,
# Umweltwirkungen über den gesamten Lebenszyklus beurteilst,
# Messdaten oder Diagramme auswertest und ein begründetes Sachurteil formulierst.

Ein überzeugender Lernnachweis verbindet chemische Reaktionsgleichungen mit einem Modell des Teilchentransports und einer realen Anwendung. Er berücksichtigt außerdem Sicherheit, Grenzen des Modells und nachvollziehbare Quellen.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Akkumulator </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Akkumulatoren - Chemie]]'''
# [[Elektrochemie]]
# [[Redoxreaktion]]
# [[Galvanische Zelle]]
# [[Elektrolyse]]
# [[Bleiakkumulator]]
# [[Nickel-Metallhydrid-Akkumulator]]
# [[Lithium-Ionen-Akkumulator]]
# [[Batteriemanagementsystem]]
# [[Energiespeicher]]
# [[Nachhaltigkeit]]
|}

[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Elektrochemie]]
[[Kategorie:Redoxreaktion]]
[[Kategorie:Akkumulator]]
[[Kategorie:Energiespeicher]]
[[Kategorie:Klasse 9-10]]
[[Kategorie:Klasse 11-12]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Sekundarstufe II]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Akkumulatoren - Chemie - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt