Aufgabe 1 – Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Batteriespeichersysteme spielen für die Energiewende eine wichtige Rolle, da sie Energie, die zum Beispiel aus Solar- oder Windkraftanlagen stammt, speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie ist eine sogenannte Hochtemperaturbatterie, die als wiederaufladbares Batteriespeichersystem verwendet wird.

1.1

Stelle die Teilgleichungen sowie die Gesamtgleichung für die beim Entladevorgang an den Elektroden ablaufenden Reaktionen auf (M1).

Beschreibe die an den Elektroden ablaufenden Reaktionen in einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie beim Entladevorgang auf Teilchenebene (M1) und gib die Richtung des Elektronenflusses an.

12 BE

1.2

Berechne die zu erwartende Spannung einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie unter Standardbedingungen (M1). Nenne zwei Gründe für die Abweichung der berechneten Spannung unter Standardbedingungen vom in M1 angegebenen Wert.

6 BE

1.3

Stelle eine begründete Hypothese zu den stattfindenden Elektrodenvorgängen beim Wiederaufladen der Natrium-Nickelchlorid-Batterie auf (M1, M2).

4 BE

1.4

Formuliere für die zu verhindernde Reaktion die Reaktionsgleichung (M3). Überprüfe, ob es sich bei dieser Reaktion um eine Redoxreaktion handelt (M3).

8 BE

30 BE

Weiter lernen mit SchulLV Plus!

monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

M1: Aufbau und Funktionsweise der Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie hat eine Betriebstemperatur von $Formula: 300\ ^{\circ}\mathrm{C}.$ $Formula: 300\ ^{\circ}\mathrm{C}.$ Eine Halbzelle besteht aus flüssigem Natrium. Die andere Halbzelle besteht aus festem Nickel(II)-chlorid in einer Elektrolytschmelze. Ein spezieller Separator verhindert den direkten Kontakt des flüssigen Natriums mit dem Nickel(II)-chlorid, ist aber durchlässig für Natrium-Ionen.

Vereinfacht dargestellt werden beim Entladen Natrium und Nickel(II)-chlorid zu Natriumchlorid und Nickel umgesetzt.

Die Zellspannung beträgt $Formula: 2{,}58\ \mathrm{V}.$ $Formula: 2{,}58\ \mathrm{V}.$

Schema einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie mit Pluspol, Minuspol, Separator und Elektrolytschmelze.

Vereinfachte schematische Darstellung einer Natrium-Nickelchlorid-Batterie

verändert nach: P. Kurzweil, O. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, 2. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, S. 290 - 294

M2: Anwendungen der Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie wird häufig in Bereichen als stationärer Energiespeicher eingesetzt, in denen durch den Entladevorgang der Batterie eine zuverlässige und sichere Energieversorgung auch außerhalb des Stromnetzes erforderlich ist. Sie wird zum Beispiel im Eisenbahnsektor und bei der Stromversorgung von Basisstationen der Telekommunikationsbranche verwendet. Ein weiterer zentraler Anwendungsbereich ist die Netzstabilisierung und die Speicherung von Energie, die aus Solar- und Windanlagen stammt. Bei diesen Anwendungen macht man sich zu Nutze, dass die Natrium-Nickelchlorid-Batterie immer wieder aufgeladen werden kann.

verändert nach: P. Kurzweil, O. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, 2. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, S. 290 - 291

M3: Sicherheit der Natrium-Nickelchlorid-Batterie

Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie weist insgesamt eine hohe Sicherheit auf. Das Metallgehäuse aus Stahl wird mit einem weiteren wärmeisolierenden Außengehäuse umgeben. Es muss unbedingt sichergestellt sein, dass selbst bei Beschädigung der Batterie kein Natrium mit Feuchtigkeit aus der Luft oder mit Regen in Kontakt kommt, da die sonst einsetzende chemische Reaktion eine Gefährdung darstellt. Bei dieser zu verhindernden Reaktion entstehen ein ätzender, alkalisch reagierender Stoff sowie ein brennbares Gas, das eine positive Knallgasprobe zeigt.

verändert nach: P. Kurzweil, O. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, 2. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, S. 294

Weiter lernen mit SchulLV Plus!

monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

1.1

Aufstellen der Teil- und Gesamtgleichungen

$Formula: \begin{array}{lll} \ce{2Na \longrightarrow 2Na+ + 2e-}&\;\text{Minuspol} \\[5pt] \ce{Ni^2+ + 2e- \longrightarrow Ni}&\;\text{Pluspol} \\[5pt] \overline{\ce{2Na + Ni^2+ \longrightarrow 2Na+ + Ni}}&\;\text{Gesamtgleichung} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{lll} \ce{2Na \longrightarrow 2Na+ + 2e-}&\;\text{Minuspol} \\[5pt] \ce{Ni^2+ + 2e- \longrightarrow Ni}&\;\text{Pluspol} \\[5pt] \overline{\ce{2Na + Ni^2+ \longrightarrow 2Na+ + Ni}}&\;\text{Gesamtgleichung} \end{array}$

Beschreibung der Vorgänge auf Teilchenebene und Angabe der Richtung des Elektronenflusses

Minuspol/Anode: Oxidation von Natrium-Atomen zu Natrium-Ionen unter Elektronenabgabe
Pluspol/Kathode: Reduktion von Nickel(II)-Ionen zu Nickel-Atomen unter Elektronenaufnahme
Elektronenfluss vom Minuspol zum Pluspol

1.2

Berechnung der zu erwartenden Spannung

Allgemein gilt:

$Formula: \Delta E=E_\text{Kathode}-E_\text{Anode}$ $Formula: \Delta E=E_\text{Kathode}-E_\text{Anode}$

Unter Standardbedingungen ergibt sich für die Natrium-Nickelchlorid-Batterie:

$Formula: \begin{array}{rlll} \Delta E^0&=&E^0(\ce{Ni^2+\vert\,Ni})-E^0(\ce{Na^+\vert\,Na}) \\[5pt] &=&-0{,}26\;\text{V}-(-2{,}71\;\text{V}) \\[5pt] &=&2{,}45\;\text{V} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} \Delta E^0&=&E^0(\ce{Ni^2+\vert\,Ni})-E^0(\ce{Na^+\vert\,Na}) \\[5pt] &=&-0{,}26\;\text{V}-(-2{,}71\;\text{V}) \\[5pt] &=&2{,}45\;\text{V} \end{array}$

Nennen zweier Gründe für Abweichungen vom angegebenen Wert

Von Standardbedingungen abweichende Betriebstemperatur von $Formula: 300\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 300\ ^\circ\text{C}$
Keine wässrige Elektrolytlösung mit $Formula: c=1\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}},$ $Formula: c=1\ \tfrac{\text{mol}}{\text{L}},$ sondern Elektrolytschmelze

1.3

Aufstellen einer begründeten Hypothese zu den Elektrodenvorgängen beim Wiederaufladen

Umkehrung der Reaktionen des Entladevorgangs an den Elektroden durch Anlegen einer Spannung
Minuspol: Reduktion von Natrium-Ionen zu Natrium-Atomen
Pluspol: Oxidation von Nickel-Atomen zu Nickel(II)-Ionen

1.4

Formulieren der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{2Na + 2H2O \longrightarrow 2NaOH + H2}$ $Formula: \ce{2Na + 2H2O \longrightarrow 2NaOH + H2}$

Überprüfung des Vorliegens einer Redoxreaktion

Natrium-Atome im elementaren Natrium werden zu Natrium-Ionen oxidiert, wobei die Oxidationszahl von zu $Formula: +\text{I}$ $Formula: +\text{I}$ steigt.
Wasserstoff-Atome in Wassermolekülen werden zu molekularem Wasserstoff reduziert, wobei sich die Oxidationszahl von $Formula: +\text{I}$ $Formula: +\text{I}$ zu verringert.
Da sich die Oxidationszahlen der beteiligten Atome ändern, findet eine Elektronenübertragung statt. Somit liegt eine Redoxreaktion vor.

Weiter lernen mit SchulLV Plus!

monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?