Zink-Luft Batterie: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Open Source Ecology - Germany
Zur Navigation springen Zur Suche springen
(Hilfe:Kategorisieren von Seiten: ± 2 Kategorien mittels HotCat-Helferlein (s. Benutzereinstellungen))
 
(16 dazwischenliegende Versionen von 2 Benutzern werden nicht angezeigt)
Zeile 1: Zeile 1:
  
 
== Darstellung einer Zink-Luft Batterie ==
 
== Darstellung einer Zink-Luft Batterie ==
−
 
−
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">
Zeile 9: Zeile 7:
 
</gallery>
 
</gallery>
  
−
 
+
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.
−
 
 
−
----
 
−
 
 
−
 
 
−
 
 
−
== Gasdiffusions-Elektrode ==
 
−
 
 
−
 
 
−
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.
 
−
 
 
−
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.
 
−
 
 
−
Als günstiges und leicht verfügbares Ausgangsmaterial gelangt hier Aktivkohle zum Einsatz, welche eine hohe Oberfläche aufweist.
 
−
 
 
−
Zitat aus Wikipedia: ([http://de.wikipedia.org/wiki/Aktivkohle])
 
−
 
 
−
''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.
 
−
 
 
−
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]
 
−
 
 
−
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.''
 
−
 
 
−
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.
 
−
 
 
−
Der Arbeitsansatz besteht nun darin die Aktivkohle partiell zu hydrophobieren und somit zu versuchen, die Drei-Phasen-Zone zu vergrößern.
 
−
 
 
  
  
 
== Aufbau und Struktur des Testsystems ==
 
== Aufbau und Struktur des Testsystems ==
−
 
−
 
  
 
<gallery widths="480" heights="400" perrow="2" caption="Reaktionsgefäß und Einzelschichten">
 
<gallery widths="480" heights="400" perrow="2" caption="Reaktionsgefäß und Einzelschichten">
Zeile 47: Zeile 17:
 
</gallery>
 
</gallery>
  
−
[[File:zacbat5.png|frame|center|alt=Alt text|Reaktor-Gefäß]]  
+
[[File:zacbat5.png|frame|center|alt=Alt text|Funktionsschichten in Querschnitt-Darstellung]]  
−
----
 
−
 
 
  
  
 
== Herstellung des Testsystems ==
 
== Herstellung des Testsystems ==
  
−
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.
 
  
  
Zeile 63: Zeile 28:
 
Flasche köpfen.jpg | Flasche köpfen
 
Flasche köpfen.jpg | Flasche köpfen
  
−
Flaschenkoepfe.jpg | Flaschenkoepfe
+
Flaschenkoepfe.jpg | Grob abgeschnittene Flaschenköpfe
  
 
Kopf absaegen.jpg | Kopf an Kragenkante genau absaegen
 
Kopf absaegen.jpg | Kopf an Kragenkante genau absaegen
  
−
Plan schleifen.jpg | Plan schleifen
+
Plan schleifen.jpg | Kragen plan schleifen
 +
 
 +
Koepfe.jpg | Fertige Köpfe
  
 
Grundplatte.jpg | Grundplatte aus Bastlerglas
 
Grundplatte.jpg | Grundplatte aus Bastlerglas
−
 
−
Koepfe.jpg | Fertige Köpfe
 
  
 
Verklebt.jpg | Köpfe werden mit Grundplatte mittels Heißkleber verklebt
 
Verklebt.jpg | Köpfe werden mit Grundplatte mittels Heißkleber verklebt
Zeile 77: Zeile 42:
 
</gallery>
 
</gallery>
  
 +
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 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.
 
  
  
Zeile 104: Zeile 67:
  
  
 +
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.
  
−
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 eina nder 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.)
 
  
  
Zeile 124: Zeile 87:
  
 
</gallery>
 
</gallery>
 +
 +
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.)
 +
 +
 +
 +
<gallery widths="300" heights="200" perrow="3" caption="Prototypen">
 +
 +
Bat2a.jpg | Hier ein weiterer Prototyp, der einen kleinen Elektromotor betreibt.
 +
 +
Bat2b.jpg | Der Elektromotor lief im Test 48h und 44 min.
 +
 +
</gallery>
 +
 +
 +
Eine ausführliche Beschreibung zu diesem Test ist [https://forum.opensourceecology.de/viewtopic.php?f=37&t=196 im forum.opensourceecology.de zu finden]
 +
 +
[[Category:OSEG - Bereich Technologie]]
 +
[[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

Abgerufen von „https://wiki.opensourceecology.de/index.php?title=Zink-Luft_Batterie&oldid=15700“