Unterschiedliche Bauformen von handelsüblichen Alkali-Mangan-Batterien

Geöffnete Mignon Alkali-Mangan-Batterie

Aufbau einer Alkali-Mangan-Batterie

Quelle: Seite „Alkali-Mangan-Zelle“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 6. Januar 2018, 05:52 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Alkali-Mangan-Zelle&oldid=172639151 (Abgerufen: 16. Januar 2018, 17:39 UTC)

Modellversuch zur Alkali-Mangan-Batterie

Literatur zum Versuch: http://www.chemieunterricht.de/dc2/echemie/alkmanv.htmbzw.: http://www.chemieunterricht.de/dc2/echemie/alkmant.htm

Unterrichtsmitschrift von Simon Müller

Alkali-Mangan-Zelle

Elektrochemie

Wie bei der Zink-Kohle-Batterie liefert die Oxidation von Zink und die Reduktion von Mangandioxid die elektrische Energie. Die bei der Oxidation freigesetzten Elektronen der Zelle wandern von der Anode, welche in diesem Fall einer Batterie die negative Elektrode ist, unter Leistungsabgabe durch den äußeren Stromkreis, zur Kathode, welche in diesem Fall die positive Elektrode ist. Zum Ladungsausgleich wandern in der Zelle durch den Elektrolyten OH⁻-Ionen von der Kathode zur Anode

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Anodenreaktion

Bei der Entladung wird an der Anode metallisches Zink (Zn) oxidiert. Dabei werden zwei Elektronen abgegeben, die Oxidationszahl von Zink wird von ±0 auf +II erhöht. Das Reaktionsprodukt hängt von den Bedingungen ab, unter denen die Oxidation erfolgt. Zu Beginn der Entladung, das heißt bei hoher OH⁻-Konzentration, wird über verschiedene Zwischenstufen das gut im alkalischen Elektrolyten lösliche Tetrahydroxozinkat-Ion (Zn(OH)₄²⁻), kurz Zinkat, gebildet.

Z n + 4 O H − → [ Z n ( O H ) 4 ] 2 − + 2 e − {\displaystyle \mathrm {Zn+4OH^{-}\rightarrow [Zn(OH)_{4}]^{2-}+2e^{-}} }

Wenn der Elektrolyt mit Zinkat übersättigt ist, beginnt Zinkoxid (ZnO) auszufallen.

[ Z n ( O H ) 4 ] 2 − → Z n O + 2 O H − + H 2 O {\displaystyle \mathrm {[Zn(OH)_{4}]^{2-}\rightarrow ZnO+2OH^{-}+H_{2}O} }

Bei fortschreitender Entladung, das heißt bei niedrigerer OH⁻-Konzentration, wird dann Zinkhydroxid (Zn(OH)₂) gebildet. Aus diesem entsteht unter Abgabe von Wasser langsam wiederum Zinkoxid (ZnO).

Z n + 2 O H − → Z n ( O H ) 2 + 2 e − {\displaystyle \mathrm {Zn+2OH^{-}\rightarrow Zn(OH)_{2}+2e^{-}} }

Z n ( O H ) 2 → Z n O + H 2 O {\displaystyle \mathrm {Zn(OH)_{2}\rightarrow ZnO+H_{2}O} }

Kathodenreaktion

Das als Kathodenmaterial verwendete Mangandioxid ist in der Regel ein Elektrolyt-Braunstein (γ-MnO₂) mit hoher elektrochemischer Aktivität. Bei der Entladung wird in der Kathode Mangandioxid (MnO₂) zunächst zu Manganoxidhydroxid (MnOOH) reduziert. Diese homogene Festphasenreaktion wird als erste Entladestufe bezeichnet.

M n O 2 + H 2 O + e − → M n O ( O H ) + O H − {\displaystyle \mathrm {MnO_{2}+H_{2}O+e^{-}\rightarrow MnO(OH)+OH^{-}} }

Bei der Reaktion wird ein Elektron aufgenommen, die Oxidationszahl des Mangans wird von +IV auf +III verringert und ein Proton (H⁺) wird in das Kristallgitter des Mangandioxids eingebaut. Diese Reaktion ist ungewöhnlich, da das Produkt α-MnOOH (Groutit) die gleiche Kristallstruktur wie der Ausgangsstoff γ-MnO₂ hat.

Unter bestimmten Bedingungen kann bei milden Entladungen in einer langsamen Reaktion Manganoxidhydroxid (MnOOH) noch weiter reduziert werden. Diese Reaktion wird als zweite Entladestufe bezeichnet.

M n O ( O H ) + H 2 O + e − → M n ( O H ) 2 + O H − {\displaystyle \mathrm {MnO(OH)+H_{2}O+e^{-}\rightarrow Mn(OH)_{2}+OH^{-}} }

Diese Reaktion ist eine heterogene Reaktion, die eigentliche Reduktion erfolgt in Lösung. Die Mn³⁺-Ionen gehen als Komplex [Mn(OH)₄]⁻ in Lösung und werden zu [Mn(OH)₄]²⁻ reduziert. Das eigentliche feste Produkt Mn(OH)₂ fällt dann aus der gesättigten [Mn(OH)₄]²⁻-Lösung aus.

Auslaufen

Ausgelaufene Alkali-Mangan-Batterie mit sichtbarer Kaliumcarbonat-Ablagerung am Minuspol

Bei Alkali-Batterien ist die Anode, welche sich während der Entladung chemisch zersetzt, im Inneren der Zelle. Dadurch wird konstruktiv eine Zersetzung der metallischen Außenhülle, welche die Kathode darstellt, bei der Alkali-Batterie verhindert. Aber auch Alkali-Batterien können auslaufen, beispielsweise durch Überdruck im Inneren in Folge eines Kurzschlusses. Dadurch öffnet das Berstmembran im Bereich des negativen Anschlusses und austretendes Kaliumhydroxid kann metallische Bestandteile wie Kontakte und Leiterbahnen korrodieren. Das Kaliumhydroxid reagiert mit dem Kohlenstoffdioxid (CO₂) der Luft zu Kaliumcarbonat (K₂CO₃) und bildet weiße, kristalline hygroskopische Ablagerungen.

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Alkali-Mangan und Zink-Kohle-Zelle im Vergleich

Wie funktioniert eine Batterie?
https://www.youtube.com/watch?v=AMum3nqsHgY
am Beispiel der Alkali-Mangan-Batterie