Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Prof. Dr. Marco Oetken, Martin Hasselmann
Perspektiven nachhaltiger Energieversorgung

Am Freitag, dem 4. Oktober 2013 stellte Prof. Dr. M. Oetken von der Universität Freiburg im Rahmen der 16. Stuttgarter Chemietage im Institut Dr. Flad seine Forschungen zur experimentellen und konzeptionellen Erschließung des Themenfeldes Lithium-Ionen-Akkumulatoren für die Schule vor.

Nicht erst durch die Energiewende wurde klar, dass eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit den erneuerbaren Energien die Speicherung derselben ist, und so ist der Ruf nach einem Akkumulator mit großer Energiedichte durchaus auch bereits bei Schülern mit Interesse aufgenommen und diskutiert worden. Nur war es in der Schule bisher nicht möglich, das Schülerinteresse an diesem aktuellen Thema weiter zu vertiefen, da der Aufbau und die technische Herstellung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufwändig und teuer sind und darüber hinaus hohe Ansprüche an die Chemie und den Fertigungsprozess stellen.

Zusammen mit seinem Doktoranden Herrn Hasselmann stellte Professor Oetken eine von ihm entwickelte Versuchsreihe vor, die er mit dem Titel Elektrische Energie aus dem Kohlenstoffsandwich überschrieb.

Insbesondere verdeutlichte Professor Oetken seine Idee, bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator nicht wie herkömmlich eine, sondern zwei Graphit-Elektroden zu verwenden, wobei in die zweite Elektrode Perchlorat-Ionen eingelagert werden. Als Elektrolyt diente ihm eine Lösung von Lithiumperchlorat in Propylencarbonat. Beim Anlegen einer entsprechenden Spannung lagerten sich die Lithiumionen in das Graphitgitter der Elektrode am Minuspol des Akkus ein und die Perchlorat-Ionen in das Graphitgitter der Elektrode am Pluspol. Beim Entladen wurden die Lithium-Ionen und die Perchlorat-Ionen wieder in das Lösungsmittel zurückgeführt. Damit konnte er auch die Reversibilität des Vorgangs verdeutlichen.

Als Experimente für die Schule schlug er vor, in einer mit Lithiumperchlorat-Lösung befüllten Kunststoffdose zwei Graphitelektroden mittels einer Solarzelle zu laden, wobei er eine Potentialdifferenz von 3,6 V erreichte. Mit Hilfe eines Melodie-Chips und einer LED demonstrierte er durch den Entladevorgang die erfolgreiche Speicherung.

Im Weiteren wollte er die Leistung der Versuchsanordnung durch Vergrößerung der Oberfläche steigern und verwendete durch Filterpapier separierte Graphitfolien.

Den Lithium-Nachweis der erfolgten Intercalation erbrachte er mittels Auswaschen mit Phenolphthalein und anschließender Flammenfärbung, sowie im wässrigen System durch Wasserstoffentwicklung.

Oetken demonstrierte auch die bei der Intercalation der Lithiumionen in Graphit vom Ladezustand abhängigen Verfärbungen vom schwarz/grau bei LiC₁₈ über rot bei LiC₁₂ zu gold bei LiC₆.

Das Problem der maximalen Ladespannung nahe dem Abscheidungspotential des Lithiums besteht in der Dentridenbildung von metallischem Lithium, was verhindert werden muss, da sonst der innere Kurzschluss der Akkuzelle droht. Auch das wurde von Prof. Oetken eindrucksvoll verdeutlicht.

Abschließend zeigte er noch mit Hilfe von zwei Autos, das eine durch eine Brennstoffzelle angetrieben, das andere durch den von ihm entwickelten Lithium-Ionen-Akku, die höhere Leistungsfähigkeit seines Lithium-Ionen-Akkus auf.

Christine Weber

Prof. Dr. Marco Oetken

W3-Professur für Didaktik der Chemie an der Pädagogischen Hochschule Freiburg, Herausgeber der Zeitschriften CHEMKON und Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule, Manfred und Wolfgang Flad-Preis 1993 und einige andere pädagogische Auszeichnungen.

Martin Hasselmann

Studium an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg mit den Fächer Chemie, Mathematik und Physik, 1. Staatsexamen für das Lehramt an Realschulen. Seit 2012 Doktorand im Arbeitskreis von Prof. Dr. Marco Oetken und Prof. Dr. Jens Friedrich.