Zink-Luft Batterie: Unterschied zwischen den Versionen

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== Darstellung einer Zink-Luft Batterie ==
 
== Darstellung einer Zink-Luft Batterie ==
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Als erster Milestone soll eine einfache Zink-Luft-Batterie nachgebaut werden, die in etwa einer handelsüblichen Knopfzelle entspricht. Dazu wird zunächst ein einfaches Testsystem entwickelt, welches es ermöglicht, einzelne Komponenten auszutauschen und so die detaillierte Zusammensetzung zu ermitteln. 
 
  
 
<gallery widths="400" heights="300" perrow="2" caption="Testsystem bzw. Entwicklungsumgebung für Zink-Luft-Batterie">
 
<gallery widths="400" heights="300" perrow="2" caption="Testsystem bzw. Entwicklungsumgebung für Zink-Luft-Batterie">
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zelle.jpg| Prototyp
 
zelle.jpg| Prototyp
 
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Als erster Milestone soll eine einfache Zink-Luft-Batterie nachgebaut werden, die in etwa einer handelsüblichen Knopfzelle entspricht. Dazu wird zunächst ein einfaches Testsystem entwickelt, welches es ermöglicht, einzelne Komponenten auszutauschen und so die detaillierte Zusammensetzung zu ermitteln. 
  
  
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== Aufbau und Struktur des Testsystems ==
  
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<gallery widths="480" heights="400" perrow="2" caption="Reaktionsgefäß und Einzelschichten">
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zacbat1.png|Reaktions-Gefäß
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zacbat2.png|Funktionelle Schichten
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[[File:zacbat5.png|frame|center|alt=Alt text|Funktionsschichten in Querschnitt-Darstellung]]
  
  
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'''Gasdiffusions-Elektrode'''
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== Herstellung des Testsystems ==
  
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Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung der Kathode als Gasdiffusions-Elektrode (GDE bzw. GDL = Gas Difusion Layer).  GDLs gibt es auch zu kaufen, da sie bei einigen Brennstoffzellentypen gebräuchlich sind, aber die Preise dafür sind enorm hoch, so das es sich lohnen könnte, hier etwas eigenes zu entwickeln.
 
  
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Die Schwierigkeit bei der GDL liegt dabei darin, eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen, welche die Bedingungen der sogenannten Drei-Phasen-Zone aufweist. Denn nur in diesem Grenzbereich zwischen fester (Elektrode), flüssiger (Elektrolyt) und gasförmiger (Luftsauerstoff) Phase kann die Sauerstoffreduktion erfolgen. D.h., je größer dieser Bereich ist, desto mehr Strom kann erzeugt werden bzw. desto mehr Milliampere fliessen und desto größer die Kapazität der Batterie in Amperstunden.
 
  
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Als günstiges und leicht verfügbares Ausgangsmaterial gelangt hier Aktivkohle zum Einsatz, welche eine hohe Oberfläche aufweist.
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<gallery widths="300" heights="200" perrow="4" caption="Reaktionsgefäß herstellen, Einzelschritte">
  
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Zitat aus Wikipedia: ([http://de.wikipedia.org/wiki/Aktivkohle])
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Flasche köpfen.jpg | Flasche köpfen
  
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''Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff  (meist > 90 %) mit hochporöser  Struktur. Die Poren sind wie bei einem Schwamm  untereinander verbunden (offenporig). Die innere Oberfläche beträgt zwischen 300 und 2000 m²/g Kohle, damit entspricht die innere Oberfläche von vier Gramm Aktivkohle ungefähr der Fläche eines Fußballfeldes. Die Dichte von Aktivkohle liegt im Bereich von 200 bis 600 kg/m³.
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Flaschenkoepfe.jpg | Grob abgeschnittene Flaschenköpfe
  
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Die Porengröße und die Porengrößenverteilung teilt man in drei Größenordnungen ein: Mikroporen (< 2 nm), Mesoporen, auch Übergangsporen genannt, (2 bis 50 nm) und Makroporen (> 50 nm).[1]
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Kopf absaegen.jpg | Kopf an Kragenkante genau absaegen
  
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Die Makroporen sind die Hauptzugangswege für Gase oder Flüssigkeiten in das Innere der Kohlen und haben für die Adsorption praktisch keine nennenswerte Bedeutung. Der überwiegende Anteil der Adsorption erfolgt am Kohlenstoffmaterial an der Oberfläche der Mikroporen. Dieser Bereich ist die wirksame Oberfläche und bestimmt die Adsorptionseigenschaften einer Kohle. Die Größe der inneren Oberfläche im Verhältnis zum Volumen einer Aktivkohle zeigen die nachfolgenden Daten. Bei einem Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm übersteigt die innere Oberfläche die äußere um mehr als den Faktor 10.000.''
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Plan schleifen.jpg | Kragen plan schleifen
  
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Das zu lösende Problem besteht nun darin, dass die Aktivkohle aufgrund der hohen Porosität und damit verbundenen Kapillarität sich mit flüssigem Material wie dem Elektrolyten komplett vollsaugt, also sozusagen unter Wasser steht. Damit verringert sich die Drei-Phasen-Zone ausschliesslich auf den Bereich der äussersten Oberfläche und die wertvolle große innere Oberfläche geht verloren.
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Koepfe.jpg | Fertige Köpfe
  
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Der Arbeitsansatz besteht nun darin die Aktivkohle partiell zu hydrophobieren und somit zu versuchen, die Drei-Phasen-Zone zu vergrößern.
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Grundplatte.jpg | Grundplatte aus Bastlerglas
  
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Verklebt.jpg | Köpfe werden mit Grundplatte mittels Heißkleber verklebt
  
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<gallery widths="480" heights="400" perrow="2" caption="Reaktionsgefäß und Einzelschichten">
 
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zacbat1.png|Reaktions-Gefäß
 
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zacbat2.png|Funktionelle Schichten
 
 
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[[File:zacbat5.png|frame|center|alt=Alt text|Reaktor-Gefäß]]
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Als günstige Ausgangsmaterialien für die Reaktionsgefäße haben sich Köpfe von Plastikflaschen erwiesen. Diese haben standardmäßig im unteren Bereich einen breiten Kragen, welcher plangeschliffen wird und es erlaubt, den Kopf mittels Heißkleber sicher und dicht auf einer Grundplatte zu befestigen.  Der Schraubdeckel kann genutzt werden um das Ganze abzuschliessen und auch um per Verschraubung einen Anpressdruck auf die inneren Schichten auszuüben falls gewünscht.
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Das Plastikmaterial ist beständig gegenüber der Kalilauge als Elektrolyt.  Die Materialien sind kostengünstig und das Reaktionsgefäß schnell und einfach und daher in größerer Anzahl für verschiedene Test-Varianten herzustellen Meist kann es auch ausgewaschen und wiederverwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, dass jeweils nur relativ kleine Mengen an Verbrauchsmaterialien wie Zink, Aktivkohle und KOH-Lösung benötigt werden um einen Versuchdurchlauf zu starten.
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'''Herstellung des Testsystems'''
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<gallery widths="300" heights="200" perrow="3" caption="Weitere Komponenten">
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Gitter.jpg | Umriss auf Drahtgitter anzeichnen und ausschneiden
  
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Kollektor.jpg | Strom-Kollektor für Kathode
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Lochscheibe.jpg | Lochscheibe als stabilisierendes und trennendes Element
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Zinknagel.jpg | Zinknagel als Kollektor für die Anode
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Separator.jpg | Separator aus Papiergewebe (Tissue)
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Set.jpg | Set der Komponenten im Überblick: Reaktionsgefäß, Distanzring, Separatoren, Lochscheibe, Kollektor, Lochdeckel
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Weitere Komponenten werden als interne Strukturelemente benötigt und lassen sich zum Teil ebenfalls aus den Plastikflaschen herstellen, so ist z.B. die Lochscheibe aus Schraubdeckeln ausgeschnitten.  Der Distanzring befindet sich unterhalb des Schraubdeckels am Kopfhals und wird einfach aufgeschnitten und etwas enger zusammengeklebt, so dass er genau dem inneren Durchmesser des Reaktionsgefäßes entspricht.
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Der Kollektor lässt sich gut mit einer Schere aus einem Drahtgitter ausschneiden. Ein aufgeklebtes Stück Kreppband erlaubt das Anzeichnen der Umrisse und verhindert das rausfallen kurzer Drahtstückchen bis kurz vor dem Gebrauch.
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Als Anodenkollektor wurde ein Zinknagel mittels Bohrung und Heisskleber fixiert. Er dient auch gleichzeitig als Anschlusskontakt.
  
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<gallery widths="300" heights="200" perrow="4" caption="Reaktionsgefäß herstellen, Einzelschritte">
 
  
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Flasche köpfen.jpg | Flasche köpfen
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Flaschenkoepfe.jpg | Flaschenkoepfe
 
  
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Kopf absaegen.jpg | Kopf an Kragenkante genau absaegen
 
  
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Plan schleifen.jpg | Plan schleifen
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<gallery widths="300" heights="200" perrow="3" caption="Prototypen">
  
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Grundplatte.jpg | Grundplatte aus Bastlerglas
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Elektrolyt.jpg | Elektrolytraumabdeckung
  
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Koepfe.jpg | Fertige Köpfe
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Carbon.jpg | Carbonschicht
  
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Verklebt.jpg | Köpfe werden mit Grundplatte mittels Heißkleber verklebt
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Schichtung.jpg | Schichtung
  
 
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Hier noch ein paar Bilder von Prototypen. Das erste zeigt die Abdeckung des darunterbefindlichen und durch einen Distanzring erzeugten Elektrolytraum. Durch die Löcher kann der nach oben austreten bzw. auch einigermaßen exakt eingefüllt werden.  Auf die Lochscheibe kommt zunächst ein Separator aus Papiergewebe, auf diesen wiederum das Kollektor-Gitter.  Darauf wird die katalytisch aktive Carbonschicht (Aktivkohle) plaziert. Eine weitere drauf plazierte Lochscheibe ermöglicht, einen gewissen Anpressdruck auf die Carbonschicht auszuüben.
  
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<gallery widths="300" heights="200" perrow="4" caption="Weitere Komponenten">
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Im dritten Bild sieht man ein an der Seite geöffnetes Reaktionsgefäß, in welchem die einzelnen Schichten erkennbar sind.
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(D.h., die Qualität der Bilder lässt sehr zu wünschen übrig, aber es handelt sich hier um Zwischenstadien die im späteren Verlauf der Entwicklung mit besseren Bildern aktualisiert werden.)
  
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Gitter.jpg | Umriss auf Drahtgitter anzeichnen und ausschneiden
 
  
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Kollektor.jpg | Kollektor für Strom
 
  
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Lochscheibe.jpg | Lochscheibe als stabilisierendes und trennendes Element
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<gallery widths="300" heights="200" perrow="3" caption="Prototypen">
  
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Zinknagel.jpg | Zinknagel als Kollektor für die Anode
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Bat2a.jpg | Hier ein weiterer Prototyp, der einen kleinen Elektromotor betreibt.
  
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Separator.jpg | Separator aus Papiergewebe (Tissue)
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Bat2b.jpg | Der Elektromotor lief im Test 48h und 44 min.
  
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Set.jpg | Set der Komponenten im Überblick
 
 
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Eine ausführliche Beschreibung zu diesem Test ist [https://forum.opensourceecology.de/viewtopic.php?f=37&t=196 im forum.opensourceecology.de zu finden]
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[[Category:OSEG - Bereich Technologie]]
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[[Category:OSEG - Zn/O Brennstoffzelle]]

Aktuelle Version vom 27. Juni 2018, 12:53 Uhr

Darstellung einer Zink-Luft Batterie

  • Testsystem bzw. Entwicklungsumgebung für Zink-Luft-Batterie

  • Entwurf

  • Prototyp

Als erster Milestone soll eine einfache Zink-Luft-Batterie nachgebaut werden, die in etwa einer handelsüblichen Knopfzelle entspricht. Dazu wird zunächst ein einfaches Testsystem entwickelt, welches es ermöglicht, einzelne Komponenten auszutauschen und so die detaillierte Zusammensetzung zu ermitteln.


Aufbau und Struktur des Testsystems

  • Reaktionsgefäß und Einzelschichten

  • Reaktions-Gefäß

  • Funktionelle Schichten

Alt text
Funktionsschichten in Querschnitt-Darstellung


Herstellung des Testsystems

  • Reaktionsgefäß herstellen, Einzelschritte

  • Flasche köpfen

  • Grob abgeschnittene Flaschenköpfe

  • Kopf an Kragenkante genau absaegen

  • Kragen plan schleifen

  • Fertige Köpfe

  • Grundplatte aus Bastlerglas

  • Köpfe werden mit Grundplatte mittels Heißkleber verklebt

Als günstige Ausgangsmaterialien für die Reaktionsgefäße haben sich Köpfe von Plastikflaschen erwiesen. Diese haben standardmäßig im unteren Bereich einen breiten Kragen, welcher plangeschliffen wird und es erlaubt, den Kopf mittels Heißkleber sicher und dicht auf einer Grundplatte zu befestigen. Der Schraubdeckel kann genutzt werden um das Ganze abzuschliessen und auch um per Verschraubung einen Anpressdruck auf die inneren Schichten auszuüben falls gewünscht.

Das Plastikmaterial ist beständig gegenüber der Kalilauge als Elektrolyt. Die Materialien sind kostengünstig und das Reaktionsgefäß schnell und einfach und daher in größerer Anzahl für verschiedene Test-Varianten herzustellen Meist kann es auch ausgewaschen und wiederverwendet werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, dass jeweils nur relativ kleine Mengen an Verbrauchsmaterialien wie Zink, Aktivkohle und KOH-Lösung benötigt werden um einen Versuchdurchlauf zu starten.


  • Weitere Komponenten

  • Umriss auf Drahtgitter anzeichnen und ausschneiden

  • Strom-Kollektor für Kathode

  • Lochscheibe als stabilisierendes und trennendes Element

  • Zinknagel als Kollektor für die Anode

  • Separator aus Papiergewebe (Tissue)

  • Set der Komponenten im Überblick: Reaktionsgefäß, Distanzring, Separatoren, Lochscheibe, Kollektor, Lochdeckel


Weitere Komponenten werden als interne Strukturelemente benötigt und lassen sich zum Teil ebenfalls aus den Plastikflaschen herstellen, so ist z.B. die Lochscheibe aus Schraubdeckeln ausgeschnitten. Der Distanzring befindet sich unterhalb des Schraubdeckels am Kopfhals und wird einfach aufgeschnitten und etwas enger zusammengeklebt, so dass er genau dem inneren Durchmesser des Reaktionsgefäßes entspricht.

Der Kollektor lässt sich gut mit einer Schere aus einem Drahtgitter ausschneiden. Ein aufgeklebtes Stück Kreppband erlaubt das Anzeichnen der Umrisse und verhindert das rausfallen kurzer Drahtstückchen bis kurz vor dem Gebrauch.

Als Anodenkollektor wurde ein Zinknagel mittels Bohrung und Heisskleber fixiert. Er dient auch gleichzeitig als Anschlusskontakt.



  • Prototypen

  • Elektrolytraumabdeckung

  • Carbonschicht

  • Schichtung

Hier noch ein paar Bilder von Prototypen. Das erste zeigt die Abdeckung des darunterbefindlichen und durch einen Distanzring erzeugten Elektrolytraum. Durch die Löcher kann der nach oben austreten bzw. auch einigermaßen exakt eingefüllt werden. Auf die Lochscheibe kommt zunächst ein Separator aus Papiergewebe, auf diesen wiederum das Kollektor-Gitter. Darauf wird die katalytisch aktive Carbonschicht (Aktivkohle) plaziert. Eine weitere drauf plazierte Lochscheibe ermöglicht, einen gewissen Anpressdruck auf die Carbonschicht auszuüben.

Im dritten Bild sieht man ein an der Seite geöffnetes Reaktionsgefäß, in welchem die einzelnen Schichten erkennbar sind.

(D.h., die Qualität der Bilder lässt sehr zu wünschen übrig, aber es handelt sich hier um Zwischenstadien die im späteren Verlauf der Entwicklung mit besseren Bildern aktualisiert werden.)


  • Prototypen

  • Hier ein weiterer Prototyp, der einen kleinen Elektromotor betreibt.

  • Der Elektromotor lief im Test 48h und 44 min.


Eine ausführliche Beschreibung zu diesem Test ist im forum.opensourceecology.de zu finden

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