Abitur BW Chemie 2026 · LK · Zink-Luft-Zellen – ein Oldtimer neu aufpoliert

Zink-Luft-Zellen – ein Oldtimer neu aufpoliert

Die Zink-Luft-Batterie, eine galvanische Zelle, die ursprünglich 1841 von Robert Bunsen skizziert und 1932 erstmals kommerziell eingeführt wurde, diente jahrzehntelang in Form von Knopfzellen als Einweglösung in Hörgeräten. In den letzten Jahren werden zunehmend weitere Anwendungen interessant. Sie könnte sogar die Welt der Energiespeicherung revolutionieren.

Material 1: Gewinnung von Zink [1]

In der Natur kommt Zink ($M = 65{,}4\text{ g}\text{/}\text{mol}$) nicht gediegen, sondern nur in Form von Erzen – sehr häufig Sulfiden – vor. Die Gewinnung von Zink aus Zink(II)-sulfid erfolgt heute hauptsächlich durch das sogenannte Nassverfahren, in dem eine Zink(II)-sulfat-Lösung elektrolysiert wird. So erhält man metallisches Zink mit einer Reinheit von 99,99 %.

Die zu elektrolysierende Lösung wird in zwei Schritten hergestellt:

Gewinnung von Zink(II)-oxid aus Zink(II)-sulfid, indem man es bei ca. 480 °C mit Sauerstoff zur Reaktion bringt. Dabei bildet sich neben Zink(II)-oxid noch Schwefeldioxid.

Reaktion von Zink(II)-oxid mit verdünnter Schwefelsäure.

1 Erläutern Sie unter Angabe von Reaktionsgleichungen die Reaktionstypen der Schritte 1 und 2 bei der Gewinnung von Zink(II)-sulfat-Lösung für das Nassverfahren (M 1).

Schritt 1: Gewinnung von Zink(II)-oxid aus Zink(II)-sulfid

Zink-Luft-Zellen – ein Oldtimer neu aufpoliert

Die Zink-Luft-Batterie, eine galvanische Zelle, die ursprünglich 1841 von Robert Bunsen skizziert und 1932 erstmals kommerziell eingeführt wurde, diente jahrzehntelang in Form von Knopfzellen als Einweglösung in Hörgeräten. In den letzten Jahren werden zunehmend weitere Anwendungen interessant. Sie könnte sogar die Welt der Energiespeicherung revolutionieren.

Material 1: Gewinnung von Zink [1]

In der Natur kommt Zink ($M = 65{,}4\text{ g}\text{/}\text{mol}$) nicht gediegen, sondern nur in Form von Erzen – sehr häufig Sulfiden – vor. Die Gewinnung von Zink aus Zink(II)-sulfid erfolgt heute hauptsächlich durch das sogenannte Nassverfahren, in dem eine Zink(II)-sulfat-Lösung elektrolysiert wird. So erhält man metallisches Zink mit einer Reinheit von 99,99 %.

Die zu elektrolysierende Lösung wird in zwei Schritten hergestellt:

Gewinnung von Zink(II)-oxid aus Zink(II)-sulfid, indem man es bei ca. 480 °C mit Sauerstoff zur Reaktion bringt. Dabei bildet sich neben Zink(II)-oxid noch Schwefeldioxid.

Reaktion von Zink(II)-oxid mit verdünnter Schwefelsäure.

1 Erläutern Sie unter Angabe von Reaktionsgleichungen die Reaktionstypen der Schritte 1 und 2 bei der Gewinnung von Zink(II)-sulfat-Lösung für das Nassverfahren (M 1).

Schritt 2: Reaktion von Zink(II)-oxid mit verdünnter Schwefelsäure

2 Begründen Sie die Notwendigkeit des Separators in der dargestellten Zink-Luft-Zelle (M 2).

Ordnen Sie der schematischen Darstellung in Abbildung 1 die Begriffe Anode und Kathode begründet zu (M 2).

Geben Sie für den Entladevorgang einer Zink-Luft-Zelle die Teilgleichungen für die Elektrodenreaktionen an und stellen Sie unter Verwendung dieser Teilgleichungen eine Gesamtreaktionsgleichung auf (M 2).

Material 2: Zink-Luft-Knopfzelle

Zink wird in Zink-Luft-Batterien eingesetzt. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Zink-Luft-Knopfzelle sowie vereinfacht die ablaufenden Prozesse bei Stromfluss an Anode und Kathode. In einer Folgereaktion entsteht aus den Zinkat-Ionen ($[\mathrm{Zn(OH)}_4]^{2-}$) schließlich Zink(II)-oxid.

a)

b)

Zink-Elektrode:

Kohleelektrode:

c)

Material 3: Bestimmung der Kapazität einer Zink-Luft-Knopfzelle

Die zu entnehmende elektrische Ladung $Q$ ist eine wichtige Kenngröße bei Batterien. Sie wird auf der Verpackung in der Regel als sogenannte „Kapazität“ in $\mathrm{mAh}$ angegeben.

Einer Zink-Luft-Knopfzelle kann laut Hersteller die elektrische Ladung $Q = 1008\text{ C}$ entnommen werden.

In einem Experiment soll die Herstellerangabe dieser Zink-Luft-Knopfzelle überprüft werden. Dazu wird diese mithilfe eines Widerstands entladen und dabei alle $24\text{ h}$ die Masse der Batterie bestimmt. Tabelle 1 zeigt die ermittelten Werte.

Tabelle 1: Experimentell ermittelte Werte Zeit in h · 0 · 24 · 48 · 72 · 96 · 120 · 144 · 168 · 192

Masse in g · 0,799 · 0,809 · 0,827 · 0,857 · 0,868 · 0,876 · 0,881 · 0,881 · 0,881

a)

Berechnen Sie die Masse an Zink, die beim Entladevorgang umgesetzt wird. Gehen Sie dabei von einer direkten Reaktion zu Zink(II)-oxid aus (M 1, M 2, M 3).

b)

Ermitteln Sie die vom Hersteller auszuweisende Kapazitätsangabe in mAh (M 3).

c)

Überprüfen Sie mithilfe der Messwerte die Angabe des Herstellers (M 3).

Material 4: Vor- und Nachteile der Zink-Luft-Zellen [4] – [7]

Zink-Luft-Zellen haben in jüngerer Zeit aus mehreren wichtigen Gründen erneut Aufmerksamkeit in Forschung und Entwicklung erregt.

Zink ist eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Alternative zu Metallen wie Lithium oder Blei. Der Abbau von Lithium birgt erhebliche Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit, da er zu Wasserknappheit und Verschmutzung der Umwelt führt. Aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit und geringen Kosten in Verbindung mit ebenso geringen Umweltauswirkungen beim Abbau ist Zink eine attraktive Wahl für nachhaltige Energiespeicherlösungen.

Auch die Wiederverwertung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren gestaltet sich aufgrund ihres komplexen Aufbaus schwierig und unwirtschaftlich und ist zudem mit Sicherheitsrisiken verbunden. Zink-Luft-Zellen können dagegen aufgrund der einfachen chemischen Zusammensetzung sehr leicht und sehr effizient nahezu vollständig recycelt werden.

Die Produktion von Zink-Luft-Zellen, von der Rohstoffgewinnung bis zum fertigen Produkt, könnte sogar komplett in Deutschland realisiert werden. Im Gegensatz zum Lithiumabbau, der oft unter Missachtung grundlegender Menschen- und Arbeitsrechte stattfindet, könnten durch die lokale Produktion in Deutschland strengere Umwelt- und Arbeitsschutzstandards gewährleistet werden.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die hohe Energieeffizienz von Zink-Luft-Zellen. Sie weisen eine hohe Energiedichte auf, was bedeutet, dass sie bei geringer Masse und Volumen viel Energie speichern können. Seit Jahrzehnten findet man Zink-Luft-Primärelemente (Batterien) daher z. B. in Hörgeräten.

Sekundärelemente (Akkumulatoren) sind Gegenstand der Forschung, denn noch ist das Wiederaufladen von Zink-Luft-Zellen problematisch. In Deutschland aktuell in der Testphase befindliche wiederaufladbare Zink-Luft-Akkumulatoren lassen jedoch hoffen, dass diese die Lithium-Ionen-Akkumulatoren zukünftig etwa als Energiespeicher für Photovoltaikanlagen oder in Elektroautos ersetzen werden. Vor allem in der Elektromobilität könnten die Zink-Luft-Akkus mit ihren deutlich größeren Energiedichten höhere Reichweiten mit einem geringeren ökologischen Fußabdruck ermöglichen.

Das Hauptproblem, das ein Wiederaufladen der Zink-Luft-Batterie und damit die Einführung des Zink-Akkumulators erschwert, ist die Bildung von Dendriten.

Dendriten sind nadelförmige, kristalline Strukturen, die sich beim Aufladen auf der Zinkelektrode durch ungleichmäßiges Abscheiden von Zink bilden und Leistungsfähigkeit sowie Sicherheit der Zelle beeinträchtigen können. Besonders problematisch sind diese metallischen Auswüchse dann, wenn sie entweder bis zum Gehäuse oder zur Kohleelektrode wachsen.

4 Diskutieren Sie anhand von fünf Argumenten den Einsatz von Zink-Luft-Batterien als Alternative für Lithium-Ionen-Akkumulatoren (M 4).

Begründen Sie die besondere Problematik der Bildung von Dendriten (M 4).

a)

b)