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Computergestützte Experimente - Messung: Spannung

Elektrochemie
Edison-Akkumulator (Modell)

Ziele: Laden und Entladen, Ermittlung der Kapazität des Akkumulators

Peter Keusch



Messwerterfassung mit dem Programm CHEMEX und dem Analog-Digital-Wandler CHEMBOX
IBK electronic + informatic


English version





Chemikalien:
20 %ige Kalilauge

Geräte und Glaswaren:
Becherglas 600 mL
Eisenblech 5 cm × 10 cm
Nickelplatte 5 cm × 10 cm
Eisendrahtnetz
Nickeldrahtnetz
Gleichspannungsquelle
Amperemeter
Voltmeter
Schalter
Schiebewiderstand (100 W)
Verbindungsschnüre
Anschlußklemmen


Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Kalilauge: Die Gefährlichkeit der Laugen beruht auf ihrer Ätzwirkung bis hinunter auf 5%-ige Lösungen. Alle Laugen besitzen die Eigenschaft, Eiweißstoffe zu lösen, was zu tiefen Gewebszerstörungen führen kann. Hornhauttrübung mit Erblindungsgefahr. Perforation der Speiseröhre und des Magens möglich.

Schutzbrille und Schutzhandschuhe erforderlich.


Theoretischer Hintergrund:

Eine von Thomas Edison (1847-1931) erfundene Sekundärzelle besitzt eine positive Elektrode aus Nickel(III)-oxidhydroxid und eine negative Eisenelektrode. Beide Elektroden tauchen in Kalilauge ein.

Beim Entladen und Laden laufen folgende Reaktionen ab:


Gleichung


Vorbereitung:

Das Eisenblech wird mit einem engmaschigen Eisendrahtnetz umwickelt, welches fest mit Drähten an der Eisenplatte befestigt ist. In gleicher Weise ummantelt man eine gleich große Nickelplatte mit Nickeldrahtnetz. Die beiden Elektroden werden nun so in ein mit 20% iger Kalilauge gefülltes Becherglas gehängt, dass die vom Elektrolyten benetzte Fläche der Elektroden etwa 75 cm2 beträgt. Die Drahtnetzenden klemmt man in geschlitzte Gummistopfen, die an einem Stativ gehaltert werden. Die Metallplatten sorgen für einen glatten Durchhang der Netze.











Nachdem das Eisennetz mit dem negativen, das Nickelnetz mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden wurde, wird der Akku 30 Minuten geladen, wobei der Schiebewiderstand so eingestellt ist, dass ein Strom von 200 bis 300 mA fließt   (Abb.1).


Abb. 1: Aufladen des Edisonakku



An beiden Elektroden ist nach einiger Zeit eine Gasentwicklung zu beobachten. Man läßt die so behandelte Zelle einen Tag stehen. Die Spannung sinkt auf unter 0.5 V  (siehe Abb. 3).

Der Akku wird wie oben beschrieben 10 Minuten aufgeladen. Die Spannung steigt auf 1.7 bis 1.9 V.



Abb. 2: Spannungsverlauf beim Laden des Edisonakku
(Messwertaufnahme mit Cassy)

Nach Abschalten der Spannungsquelle verbindet man die Nickelelektrode über das umgepolte Amperemeter, den Gleitwiderstand und einen Schalter mit der Eisenelektrode und stellt den Widerstand so ein, dass ein Strom von 20 mA fließt  (Abb. 3).  Die Spannung sinkt innerhalb von 3 Minuten auf 0.2 V ab. Nach Unterbrechung des äußeren Stromkreises steigt die Spannung wieder langsam auf 1 V an.



Abb. 3: Entladung des Edisonakku



Versuchsdurchführung:

Anpassung des Programms CHEMEX:
Der positive Pol der Spannungsquelle wird über den Schiebewiderstand und das Amperemeter mit der Nickelelektrode verbunden. Die Eisenelektrode ist an den negativen Pol angeschlossen. Das Voltmeter zeigt nach dem Laden eine Spannung von 1.5 V. Die von der Zelle erzeugte Spannung wird zur Kalibrierung der CHEMBOX verwendet. Man schaltet im Programm CHEMEX auf 'Optionen / Kalibrierung / Sensor1'. Den ersten Referenzpunkt setzt man auf 0 V. Danach wird das Voltmeter durch die CHEMBOX ersetzt: die Ni - Elektrode wird mit der positiven, die Fe - Elektrode mit der negativen Anschlussklemme des Eingangs Sensor 1 der CHEMBOX verbunden. Nun setzt als zweiten Referenzpunkt den Spannungswert der Zelle. Zur Überprüfung schaltet man auf die Analog / Digitalanzeige für Spannung 1. Wird der entsprechende Spannungswert nicht angezeigt, ist die Kalibrierung zu wiederholen.

Messungen:
Nachdem die Zelle bei 100 mA jeweils aufgeladen wurde, wird sie mit 20 mA belastet. Die wieder aufgeladene Batterie wird anschließend mit 30 bzw. 40 mA belastet. Die Spannungsänderung wird mit einem Messtakt von 2 Sekunden registriert.

Der Edisonakku unterliegt einer starken Selbstentladung. Die Spannung fällt in ca 250 Sekunden auf 1.0 V ab, erst dann flacht der Spannungsabfall ab. Deshalb startet man erst dann die Messungen, wenn sich eine Spannung von etwa 1.2 V eingestellt hat.


Selbstentladung
Abb. 4: Selbstentladung des Edisonakkumulators


Messbildschirm
Abb. 5: Messbildschirm     Belastung des Edisonakkus mit 20 mA


Versuchsauswertung:

Die mit Chemex aufgenommenen Messwertpaare werden in Microsoft Excel importiert und hier ausgewertet.


Entladung
Abb. 6: Spanungsänderungen während des Entladens des Edisonakkus
Entladesströme:   20 mA  (1)     30 mA  (2)     40 mA  (3)


Die Spannung der unbelasteten Zelle beträgt ca 1.2 V. Nach Belastung sinkt sie entsprechend der Belastungsstärke etwas ab, bleibt einige Zeit relativ konstant, bis sie schließlich innerhalb weniger Sekunden schlagartig abfällt. Bei einer Spannung von 0.6 V ist der Akku als entladen zu betrachten. Die Entladezeit kann der Messwertabelle entnommen werden. Zwischen Belastungsstärke und Entladezeit zeigt sich ein linearer Zusammenhang  (Abb. 7).


Belastungsstromstärke / Entladezeit
Abb. 7: Auftragung der Belastungsstromstärke gegen die Entladezeit


Durch die Wahl des Lastwiderstands werden zum Entladen der Zelle bestimmte Anfangsströme I 0 eingestellt. Hieraus resultieren die zu den Strömmen I 0 korrespondierenden Anfangsspannungen U 0, die der Messwerttabelle entnommen werden können.

I 0 [ mA ] U 0 [ V ]
Messreihe 1 20 1.162
Messreihe 2 30 1.137
Messreihe 3 40 1.107
Tab. 1: Anfangsströme und Anfangsspannungen beim Entladen

Die bei der Entladung des Akku anfallenden zeitabhängigen Ströme I (t) ergeben sich aus der Beziehung

I (t)  =  U  ·  I 0  /  U 0

Bestimmung der Kapazität des Akku

Die Werte für   I (t)  werden gemäß obiger Formel in Excel ermittelt  (Tab. 2)  und die Auftragung von   I  gegen   t  realisiert  (Abb. 8).


Exceldatei
Tab. 2: Exceldatei



Abb. 8: Auftragung der Stromstärke I gegen die Zeit t


Als Kapazität einer Batterie (nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität C) wird die elektrische Ladung bezeichnet, die unter festgelegten Entladebedingungen von einer Batterie abgegeben wird, normalerweise gemessen in Amperestunden (Ah).

Durch Integration des Stromes  I (t)  über die Entladezeit (Zeit, bei der die Zellspannung 0.6 V beträgt) ergibt sich die Kapazität Q des Akku.

Q  =  òI dt

Q kann durch Berechnung der entsprechenden Fläche unter den Kurven in  Abb. 9   ermittelt werden.


Exceldatei

Exceldatei
Tab. 3: Exceldatei     Berechnung der Kapazität des Akku


Für die graphische Darstellung wählt man ein Säulendiagramm  (Abb. 9).


Kapazität
Abb. 9: Auftragung von I (t) gegen t    Kapazität des Akku Q = òI dt


I 0 [ mA ] Q [ mA · s ]
Messreihe 1 20 3510
Messreihe 2 30 3462
Messreihe 3 40 2359
Tab. 4: Kapazität Q des Akku


Hinweise:
 A sealed, starved-electrolyte nickel–iron battery
Computergestützte Experimente   Elektrochemie: Modell-Bleiakkumulator



Liste der Chembox-Experimente






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