{"id":34707,"date":"2026-03-02T10:11:26","date_gmt":"2026-03-02T04:41:26","guid":{"rendered":"http:\/\/microtexindia.com\/elektrochemie\/"},"modified":"2022-01-10T05:39:29","modified_gmt":"2022-01-10T00:09:29","slug":"elektrochemie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/elektrochemie\/","title":{"rendered":"Elektrochemie"},"content":{"rendered":"\t\t
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Elektrochemie Definition<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Elektrochemische Stromquellen oder Batterien werden im Rahmen des interdisziplin\u00e4ren Fachs Elektrochemie untersucht, das sich mit den Reaktionen an der Schnittstelle zwischen elektronischen Leitern (aktiven Materialien) und Ionenleitern (Elektrolyt), der Erzeugung elektrischer Energie aus chemischen Zellen (oder der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie) und der umgekehrten Reaktion befasst, bei der elektrolytische Zellen f\u00fcr chemische Umwandlungen eingesetzt werden. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Elektrochemische Stromquellen (Batterien)<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die Energieumwandlungsprozesse in Batterien beruhen auf Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Redox-Reaktionen). Die Zellen werden in elektrolytische Zellen und galvanische Zellen unterteilt. Beispiele f\u00fcr elektrolytische Zellen sind Zellen, die zur Gewinnung von Metallen wie Aluminium, Magnesium usw. verwendet werden, und Batterien, die geladen werden. Galvanische Zellen oder Batterien sind in der Lage, uns Strom zu liefern, im Gegensatz zu elektrolytischen Zellen, in die wir Strom leiten m\u00fcssen, damit die Reaktion stattfindet.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Oxidation bedeutet einfach die Entnahme von Elektronen (von Anoden w\u00e4hrend einer Entladungsreaktion) und Reduktion ist der Prozess der Zuf\u00fchrung dieser Elektronen zur anderen Elektrode (Kathode) durch einen externen Stromkreis, wobei ein ionisch leitender Elektrolyt das Medium f\u00fcr den Ionentransfer innerhalb der Zelle ist. Bei der Entladung der Zelle wandern Elektronen \u00fcber einen externen Stromkreis von der Anode (negative Platte) zur Kathode (positive Platte) und Ionen flie\u00dfen im Inneren der Zelle, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Typische Beispiele f\u00fcr Anoden sind:<\/p>\n

Li \u2192 Li+ + e- <\/p>\n

Pb \u2192 Pb2+ + 2e-<\/p>\n

Zn \u2192 Zn2+ + 2e-<\/p>\n<\/p>\n

Beispiele f\u00fcr Kathoden sind:<\/p>\n

PbO2 \u21c4 Pb2+ +2e- (Blei-S\u00e4ure-Batterie)<\/p>\n

LiFePO4 (Li-eisensulfat-Batterie)<\/p>\n

NiOOH + 2e- \u21c4 Ni(OH)2<\/sub> (Ni-Cadmium-Batterie)<\/p>\n

Cl2 + 2e \u21c4 2Cl- (Zink-Chlor-Batterie)<\/p>\n

Br2 + 2e \u21c4 2Br- (Zink-Brom-Batterie)<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Prim\u00e4re und sekund\u00e4re Zellen - Elektrochemie<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Eine Zelle ist eine unabh\u00e4ngige Einheit in einem galvanischen System. Wenn mehr als eine Zelle in Reihe oder parallel geschaltet ist, nennt man diese Anordnung eine Batterie. Wesentliche Bestandteile einer Zelle sind die positive Elektrode oder Platte (Kathode), die negative Elektrode oder Platte (Anode), der Elektrolyt und andere inaktive Komponenten wie Beh\u00e4lter, Separator, Kleinteile wie Stromschienen, Pfosten, Klemmen usw.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Galvanische Zellen werden in prim\u00e4re und sekund\u00e4re (oder wiederaufladbare oder Speicher-) Zellen unterteilt. In den
\n Prim\u00e4rzellen,<\/u>
\n<\/strong> k\u00f6nnen die Reaktionen nicht mehr r\u00fcckg\u00e4ngig gemacht werden, wenn die Entladung aufgrund der Ersch\u00f6pfung der aktiven Materialien beendet ist, w\u00e4hrend bei der
\n sekund\u00e4re Zellen<\/u>
\n<\/strong> k\u00f6nnen die aktiven Materialien in den vorherigen Zustand zur\u00fcckversetzt werden, indem Strom in die Zelle in umgekehrter Richtung geleitet wird.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Bekannte Beispiele f\u00fcr Prim\u00e4rzellen sind Zellen, die in Armbanduhren, elektrischen Taschenlampen und vielen Steuerungen wie Fernseh- und Wechselstromfernbedienungen verwendet werden. Beispiele f\u00fcr Sekund\u00e4rbatterien sind die allgegenw\u00e4rtige Blei-S\u00e4ure-Batterie<\/a>, die zum Starten von Autos und f\u00fcr Heiminverter\/USV verwendet wird, sowie Ni-Cd-, Ni-MH-<\/a> und Li-Ionen-Zellen<\/a>. Brennstoffzellen unterscheiden sich von (Prim\u00e4r-)Batterien in dem Sinne, dass die reaktiven Bestandteile von au\u00dfen zugef\u00fchrt werden, w\u00e4hrend sie in Batterien nicht vorhanden sind.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Potentiale von Elektroden (Halbzellen) und Spannung einer Zelle und masseunabh\u00e4ngige Einheit von galvanischen Zellen:<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Das Potenzial (Spannung) einer Elektrode ist eine grundlegende elektrochemische Eigenschaft, deren Wert nicht von der Menge des Elektrodenmaterials abh\u00e4ngt. Thermodynamisch gesehen handelt es sich um eine intensive Eigenschaft im Gegensatz zur Kapazit\u00e4t (die eine extensive Eigenschaft ist) einer Elektrode, die von der Masse des darin enthaltenen aktiven Materials abh\u00e4ngt.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die Spannung einer Zelle ist die Kombination der beiden Elektrodenpotentiale oder Spannungswerte der Anode (negative Elektrode oder Platte) und der Kathode (positive Elektrode oder Platte). Die Potenzialwerte negativer Elektroden sind immer negativ (sie liegen in der EMK-Reihe unter Null Volt, siehe Normenlehrb\u00fccher oder Handb\u00fccher). Die Null Volt bezieht sich auf das Standard-Elektrodenpotential der Wasserstoff-Elektrode (SHE).<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Bei den negativen Elektrodenmaterialien handelt es sich ausnahmslos um Metalle oder Legierungen, mit wenigen Ausnahmen wie Kohlenstoff und Wasserstoff, die das negative aktive Material in Ni-MH- und Ni-H2-Zellen darstellen. Die Kathoden haben ein positives Potenzial und bestehen zumeist aus Oxiden, Halogeniden, Sulfiden usw., mit Ausnahme von Sauerstoff, der in Metall-Luft-Zellen als aktives Material der Kathode dient. In der Zelle sollte ein Elektrolyt vorhanden sein, der die Ionen leitet.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die Spannung ist die treibende Kraft f\u00fcr den Strom. Es ist eine Kombination (algebraische Differenz) der beiden Werte des positiven und des negativen Potenzials. Die Spannung kann mit der H\u00f6he eines Wassertanks oder dem Wasserstand im Tank verglichen werden und der Strom mit dem Durchmesser des Rohrs, das aus dem Tank kommt. Je h\u00f6her der Wasserstand im Tank ist, desto schneller l\u00e4uft das Wasser aus. Je gr\u00f6\u00dfer der Durchmesser des Rohrs ist, desto gr\u00f6\u00dfer ist auch die Wassermenge, die herauskommt.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Wie bestimmt man die Spannung einer Zelle? <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die Zellspannung kann aus den Potenzialwerten der beiden Elektroden bestimmt oder mit Hilfe der Gibbs-Gleichung und der freien Standard-Gibbs-Bildungsenergie (\u0394
\n f<\/i>
\n<\/sub>G\u02da<\/i>). Die standardm\u00e4\u00dfige freie Gibbs’sche Bildungsenergie<\/strong> einer Verbindung ist die \u00c4nderung der freien Gibbs-Energie, die mit der Bildung von 1 Mol eines Stoffes in seinem Standardzustand aus seinen Bestandteilen in ihren Standardzust\u00e4nden einhergeht (die stabilste Form des Elements bei 1 bar Druck und der angegebenen Temperatur, normalerweise 298,15 K oder 25 \u00b0C).<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Gibbssche freie Energie (G)<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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In der Thermodynamik ist die freie Gibbs-Energie<\/a> ein Ma\u00df f\u00fcr die Arbeit, die einem System entzogen werden kann, und im Fall von Batterien wird die Arbeit durch die Freisetzung von Ionen an einer Elektrode (Anode) und die anschlie\u00dfende Bewegung zur anderen Elektrode (Kathode) geleistet. Die Energie\u00e4nderung entspricht im Wesentlichen der geleisteten Arbeit, und im Fall der galvanischen Zelle wird die elektrische Arbeit durch die Bewegung der Ionen aufgrund der chemischen Wechselwirkung zwischen den Reaktanten geleistet, wodurch die Produkte entstehen. Die Energie wird also in Form von \u0394G angegeben, der \u00c4nderung der freien Gibb’schen Energie<\/em>, die die maximale Menge an chemischer Energie darstellt, die bei den Energieumwandlungsprozessen gewonnen werden kann.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Jedes Mal, wenn eine Reaktion stattfindet, \u00e4ndert sich<\/strong> die freie Energie des Systems:<\/p>\n

\u2206G <\/em>= – nFE\u00b0<\/p>\n

wobei F <\/em>= die Faraday-Konstante (96,485 C oder 26,8 Ah)<\/p>\n

n <\/em>= Anzahl der an der st\u00f6chiometrischen Reaktion beteiligten Elektronen<\/p>\n

E\u00b0<\/em>= Standardpotential, V.<\/p>\n

Die Werte von \u2206G k\u00f6nnen aus den anderen drei Werten n, F und E berechnet werden.<\/p>\n

Die Zellenspannung einer galvanischen Zelle l\u00e4sst sich aus dem folgenden Ausdruck errechnen<\/p>\n

\u0394G\u00b0 = \u03a3\u0394G\u00b0
\n f Produkte<\/sub>
\n<\/em> – \u03a3\u0394G\u00b0
\n f Reaktanten<\/sub>
\n<\/em> <\/p>\n

Die molaren Standardbildungsenergien k\u00f6nnen aus Standardlehrb\u00fcchern entnommen werden [Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, S.366].<\/p>\n

PbO2 + Pb + 2H2SO4 \u21c4 2PbSO4 + 2H2O<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\u0394G\u00b0 = \u03a3\u0394G\u00b0
\n f Produkte<\/sub>
\n<\/em> – \u03a3\u0394G\u00b0
\n f Reaktanten<\/sub>
\n<\/em> <\/p>\n

\u2206G\u00ba = [2(-193<\/em>,<\/em>89) + 2(-56<\/em>,<\/em>69)] – <\/em>[(-52<\/em>,<\/em>34) + 0 – 2(-177<\/em>,<\/em>34)] <\/p>\n

= -94<\/em>,<\/em>14 kcal\/Mol<\/p>\n

= -94<\/em>,<\/em>14 kcal \/ Mol \u00d7 <\/em>4,<\/em>184 kJ \/ Mol<\/p>\n

= -393<\/em>,<\/em>88 kJ\/Mol<\/p>\n

E\u00ba <\/em>= -\u0394G\u00ba\/nF<\/em> <\/p>\n

= –<\/em>(-393<\/em>.<\/em>88 \u00d7 <\/em>1000) \/ <\/em>2 \u00d7 <\/em>96485<\/p>\n

= 2.<\/em>04 V<\/p>\n

Der entsprechende Anstieg<\/strong> der freien Energie ist gleich der elektrischen Arbeit, die am System verrichtet wird. Folglich,<\/p>\n

-\u0394G = nFE oder \u0394G = -nFE und \u0394G\u00ba = -nFE\u00ba.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zellspannung aus Elektrodenpotentialen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die Kombination der beiden Elektrodenpotentiale ergibt die Zellspannung:<\/p>\n

Ecell<\/sub> =\u00d6kathode oder positive Elektrode<\/sub> – E Anode oder negative Elektrode<\/sub><\/p>\n

Oder E-Zelle <\/sub>=EPP <\/sub>–ENP<\/sub><\/p>\n<\/p>\n

Nach den Konventionen der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) von 1953 und 1968 ist eine galvanische Zelle so beschaffen, dass die dierechte Handelektrode <\/em>(RHE) ist die positive Elektrode, wobei Reduktion <\/em>auftritt und die Dielinke Elektrode <\/em>ist die negative Elektrode, wobei es kommt zurOxidation <\/em>und die Elektronen flie\u00dfen von links nach rechts [<\/strong>McNicol B.D; Rand, D.A.J in McNicol B.D; Rand, D.A.J (ed.) Power Sources for Electric Vehicles, Chapter 4, Elsevier, Amsterdam, 1984<\/em>]<\/strong>. Der RHE ist die Kathode und der LHE ist die Anode<\/p>\n<\/p>\n

Ecell<\/sub> =ERHE<\/sub> –ELHE <\/sub> <\/p>\n

Die Werte f\u00fcr die Elektrodenpotentiale k\u00f6nnen aus Lehr- und Handb\u00fcchern entnommen werden.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zellspannung aus Elektrodenpotentialen f\u00fcr Blei-S\u00e4ure-Zellen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Ecell<\/sub> =\u00d6kathode oder positive Elektrode<\/sub> – E Anode oder negative Elektrode<\/sub><\/p>\n

LHE Pb\u00bdH2SO4\u00bdH2SO4\u00bdPbO2 RHE<\/p>\n

RHE ist Kathode E\u00b0<\/em>
\n Drehzahl <\/sub>
\n<\/em>= 1,69 V f\u00fcr Pb4+ + 2e \u21c4 Pb2+ und<\/p>\n

LHE-Anode E\u00b0<\/em>
\n Rev <\/sub>
\n<\/em> = -0,358 V f\u00fcr Pb\u00ba – 2e _ Pb2+<\/p>\n

Ecell<\/sub> = 1,69 – (-0,358) = 2,048 V.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zellspannung aus Elektrodenpotentialen f\u00fcr Ni-Cd-Zellen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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RHE Cd|KOH|KOH|NiOOH LHE<\/p>\n

LHE E\u00b0<\/em>
\n Rev. <\/sub>
\n<\/em> = 0,49 f\u00fcr NiOOH +2e \u21c4Ni(OH)<\/p>\n

RHE E\u00b0<\/em>
\n Rev <\/sub>
\n<\/em> = – 0,828 V f\u00fcr Cd \u21c4 Cd2+ +2e<\/p>\n

Ecell <\/sub> =0,<\/em>49 V – <\/em>(- <\/em>0,<\/em>828) = 1,<\/em>318 V<\/p>\n

Der E\u00b0<\/em>
\n Rev <\/sub>
\n<\/em> der Nickelelektrode unter Standardbedingungen betr\u00e4gt 0,49 V. E\u00b0<\/em>
\n Rev <\/sub>
\n<\/em> der MH-Elektrode h\u00e4ngt vom Partialdruck der hydridbildenden Stoffe ab, gem\u00e4\u00df <\/p>\n

2MH \u21c4 2M + H2 \u2191<\/p>\n

Der bevorzugte Wasserstoffpartialdruck der MH-Elektrode liegt in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 0,01 bar, E\u00b0<\/em>
\n Rev <\/sub>
\n<\/em> liegt im Allgemeinen zwischen -0,930 und -0,860 V. Daher<\/p>\n

Ecell <\/sub> =0,<\/em>49 V – <\/em>(- <\/em>0,<\/em>89) = 1,<\/em>3 V.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zellspannung aus Elektrodenpotentialen f\u00fcr die Li-Ionen-Zelle der LCO-Chemie<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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RHE C | LiPF6 in DMC +DEC +PC | LiCoO2 LHE<\/p>\n

RHE E\u00b0<\/em>
\n Rev.<\/sub>
\n<\/em> = 0,1 V (gegen Li-Metall) f\u00fcr LiC6 \u21c4 xLi+ + xe +C6<\/sub><\/p>\n

LHE E\u00b0<\/em>
\n Rev.<\/sub>
\n<\/em> = 3,8 V (gegen Li-Metall) f\u00fcr Li1-xCoO2 + xe
\n Entladung \u2192 <\/sup>
\n<\/em>LiCoO2<\/p>\n

Die Gesamtreaktion istC6<\/sub> +LiCoO2 \u21c4LixC6 + Li1-xCoO2 <\/p>\n

Ecell<\/sub> = 3,8 – (0,1) = 3,7 V.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zellspannung aus Elektrodenpotentialen f\u00fcr Li-Ionen-Zellen der LiFePO4-Chemie<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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RHE C | LiPF6 oder LiODFB in (EC+EMC+DEC) | LiFePO4 LHE<\/p>\n

RHE E\u00b0<\/em>
\n Rev.<\/sub>
\n<\/em> = 0,1 V (gegen Li-Metall) f\u00fcr LiC6 \u21c4 xLi+ + xe +C6<\/sub><\/p>\n

LHE E\u00b0<\/em>
\n Rev.<\/sub>
\n<\/em> = 3,5 V (gegen Li-Metall) f\u00fcr FePO4 + xe + xLi+ =
\n Entladung \u2192<\/sup>
\n<\/em> xLiFePO4 + (1-x) FePO4<\/p>\n

LIODFB = Lithiumdifluor(oxalato)borat<\/p>\n

Die Gesamtreaktion LiFePO4 + 6C \u2192LiC6 + FePO4<\/p>\n

Ecell<\/sub> = 3,3 – (0,1) = 3,2 V<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Massenabh\u00e4ngige Gr\u00f6\u00dfen von galvanischen Zellen: Strom, Leistung und Energie<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die Leistung wird in der Einheit Watt angegeben, und der Zeitfaktor spielt bei der Leistung keine Rolle.<\/p>\n

P = W = V*A<\/p>\n

Die Energie bezieht sich auf die \u00fcber einen bestimmten Zeitraum verbrauchte Leistung, so dass die Einheit Stunden umfasst.<\/p>\n

Energie 1 W.Sekunde = 1 Joule<\/p>\n

Energie = Wh = W*h = V*A*h = 3600 Joule.<\/p>\n

1 kWh = 1000 Wh.<\/p>\n

Die Kapazit\u00e4t ist die Menge an Strom (Ah), die eine Batterie liefern kann.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Wenn zwei der Begriffe in Wh oder kWh angegeben sind, kann der jeweils andere berechnet werden (Wh = VAh).<\/p>\n

850 Wh einer 12-V-Batterie k\u00f6nnen 850 Wh\/12 V = 71 Ah liefern. Die Dauer, \u00fcber die diese 71 Ah entnommen werden k\u00f6nnen, h\u00e4ngt nicht nur vom Strom, sondern auch von der Art der Chemie ab. Eine Li-Ionen-Batterie kann beispielsweise 1 Stunde lang 70 A liefern. Die Blei-S\u00e4ure-Batterie hingegen h\u00e4lt bis zu 1 Stunde durch, wenn der Entladestrom 35 A betr\u00e4gt. Eine VRLA-Batterie kann jedoch nur 70 A f\u00fcr etwas weniger als 40 Minuten liefern.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Die von einer Li-Ionen-Zelle bei 70 A gelieferte Leistung ist 70 A*3,6 V= 252 W.<\/p>\n

Die von einer Blei-S\u00e4ure-Zelle bei 70 A abgegebene Leistung ist jedoch 70 A* 1,9 V= 133 W.<\/p>\n

Man sieht, dass die Li-Ionen-Zelle bei gleichem Strom eine h\u00f6here Leistung pro Zelle liefern kann.<\/p>\n<\/p>\n

\u00c4hnlich verh\u00e4lt es sich mit der Energie, die eine Li-Ionen-Zelle bei 70 A = 70 A*3,6 V *1h= 252 Wh liefert.<\/p>\n

Aber die von einer VR-Bleis\u00e4urezelle bei 70 A gelieferte Energie ist 70 A* 1,9 V * 0,66 h= 88 Wh.<\/p>\n

Wir sehen, dass die Li-Ionen-Zelle bei gleichem Strom mehr Energie pro Zelle liefern kann<\/p><\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Diespezifische Kapazit\u00e4t<\/strong> ist Ah pro Gewichtseinheit (Ah\/kg oder mAh\/g).<\/p>\n

Diespezifische Energie<\/strong> ist die Wh pro Gewichtseinheit (Wh\/kg).<\/p>\n

DieEnergiedichte<\/strong> ist das Wh pro Volumeneinheit (Wh\/Liter).<\/p>\n

<\/em><\/strong><\/p>\n

Anmerkung:<\/em><\/strong><\/p>\n

Der Begriff gravimetrische Energiedichte<\/u> wurde durch spezifische Energie<\/u> und die volumetrische Energiedichte durch Energiedichte<\/u>ersetzt.<\/em><\/strong><\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Elektrochemie - Theoretische spezifische Kapazit\u00e4t und theoretische spezifische Energie von elektrodenaktiven Materialien<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Die Einheit der Elektrizit\u00e4t ist das Coulomb, das 1 Amperesekunde (A.s) entspricht. Die Faraday-Konstante (F)<\/strong> gibt die Ladungsmenge an, die von 1 Mol Elektronen getragen wird. Da ein Elektron eine Ladung von 1,602 x 10-19 Coulomb (C) hat, m\u00fcsste ein Mol Elektronen eine Ladung von 96485 C\/Mol haben.<\/p>\n

1 F = 1(6,02214 *1023) * (1,60218*10-19 C) = 96485 C (d. h. 96485 C\/Mol).<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

6,02214 *1023 ist die Avogadro-Zahl (Avogadro-Konstante), <\/strong>die definiert ist als die Anzahl der Atome, Mole oder Ionen in einem Mol des betreffenden Stoffes. Sie ist n\u00fctzlich, um die Masse eines Stoffes mit der Anzahl der Teilchen in diesem Stoff in Beziehung zu setzen. Somit enthalten 0,2 Mol eines beliebigen Stoffes 0,2 *Avogadro-Zahl der Teilchen. Die Ladung eines Elektrons betr\u00e4gt nach modernen Experimenten 1,60217653 x 10-19 Coulombs pro Elektron. Wenn man die Ladung eines Mols Elektronen durch die Ladung eines einzelnen Elektrons teilt, erh\u00e4lt man einen Wert f\u00fcr die Avogadro-Zahl von 6,02214154 x 1023 Teilchen pro Mol[https:\/\/www.scientificamerican.com\/article\/how-was-avogadros-number\/<\/a>].<\/p>\n<\/p>\n

1 F 96485 C\/mol = 96485 A.s\/60*60 s = 26,8014 Ah\/mol<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Spezifische Kapazit\u00e4t und spezifische Energie f\u00fcr Bleis\u00e4urezellen <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Das Molekulargewicht oder das Atomgewicht in Gramm geteilt durch die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen ergibt das Gramm\u00e4quivalent <\/em>des jeweiligen Stoffes. Ein Gramm \u00c4quivalent liefert 96.485 Coulomb (die meisten Autoren runden es auf 96.500 C ab), was 26,8014 Ah entspricht.<\/p>\n

207,2 g Bleimetall k\u00f6nnen mit 2F Strom = 2\u00d7 26,<\/em>8014 Ah = 53,603 Ah umgerechnet werden. (Reaktion: Pb \u2192Pb2+ + 2e-).<\/p>\n

Daher ist die Menge an negativem aktivem Material (NAM) in einer Blei-S\u00e4ure-Zelle, die f\u00fcr 1 Ah ben\u00f6tigt wird (bekannt als
\n Kapazit\u00e4t-Dichte<\/em>
\n<\/strong>) <\/strong>= 207,2 \/ <\/em>53,<\/em>603 = 3,866 g \/Ah[Bode, Hans, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, S.292<\/em>].<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

\n\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Der Kehrwert der Kapazit\u00e4tsdichte wird als die <\/strong>
\n spezifische Kapazit\u00e4t<\/em>
\n<\/strong> <\/em><\/strong><\/p>\n

Spezifische Kapazit\u00e4t<\/em><\/strong> = nF \/ Molekulargewicht oder Atommasse. (n= Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen).<\/em><\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die spezifische Kapazit\u00e4t des negativen aktiven Materials <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Die spezifische Kapazit\u00e4t des negativen aktiven Materials<\/strong> (NAM), Pb = 56,3\/207,2 = 0,259 mAh \/g = 259 Ah\/kg. Dieser Wert, multipliziert mit dem Gleichgewichtspotential der Zelle, ist Theoretisch<\/strong>
\n Spezifische Energie<\/u>
\n<\/strong>. Theoretische spezifische Energie von NAM-Blei<\/strong> = 259*2,04 V = 528,36 Wh\/kg<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t

Die spezifische Kapazit\u00e4t von positivem aktivem Material (PAM)<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

In \u00e4hnlicher Weise ist die Menge an positivem aktivem Material in einer Blei-S\u00e4ure-Zelle, die f\u00fcr 1 Ah ben\u00f6tigt wird (bekannt als
\n Kapazit\u00e4tsdichte<\/em>
\n<\/strong>) <\/strong>= 239,2 \/ <\/em>53,<\/em>603 = 4,46 g \/Ah.<\/p>\n

Die spezifische Kapazit\u00e4t des positiven aktiven Materials (PAM), PbO2 = 56,3\/239 = 0,224 mAh \/g = 224 Ah\/kg. Theoretische spezifische Energie von PAM<\/strong> Bleidioxid = 224*2,04 V = 456,96 Wh\/kg.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Lithium-Ionen-Zelle<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Spezifische Kapazit\u00e4t und spezifische Energie f\u00fcr Li-Ionen-Zellen mit Kohlenstoffanode<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Spezifische Kapazit\u00e4t <\/strong>von LiC6 = xF\/n*Molekulargewicht<\/p>\n

= 1 * 26,8\/ 1*72 mAh\/g (st\u00f6chiometrisch werden 72 g C f\u00fcr 1<\/p>\n

Mol Li-Speicher zur Bildung von LiC6. <\/sub>Da das Li von der LCO-Kathode zur Verf\u00fcgung steht, wird seine Masse nicht in die Gesamtmasse der Anode eingerechnet. Es wird nur Kohlenstoff ber\u00fccksichtigt. X = 1; 100 % Interkalation von Li+)<\/p>\n

= 0,372 Ah\/g<\/p>\n

= 372 mAh\/g = 372 Ah\/kg<\/strong><\/p>\n

Spezifische Energie<\/strong> LiC6 = 372*3,7 V<\/p>\n

= 1376 Wh\/kg<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Spezifische Kapazit\u00e4t und spezifische Energie f\u00fcr LiCoO2 (LCO)<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Spezifische Kapazit\u00e4t LiCoO2<\/p>\n

= 0,5 Li+ + 0,5 e + Li0,5<\/sub> CoO2 (x= 0,5, 50 % Einlagerung von Li+)<\/p>\n

= xF\/n*Mol Gewicht<\/p>\n

=0,5*26,8\/ 1 * 98 Li= 6,94 Co = 58,93 2 O= 32<\/p>\n

<\/sub> = 13,4 \/ 98 Ah\/g = 0,1368 Ah\/kg<\/p>\n

= 137 mAh\/g = 137 Ah\/kg.<\/strong><\/p>\n

Spezifische Energie von LiCoO2 = 137*3,7 V = 507 Wh\/kg<\/strong> (x= 0,5, 50 % Interkalation von Li+)<\/p>\n

Wird der Wert x als 1 angenommen<\/strong>, verdoppelt sich die spezifische Kapazit\u00e4t, 137*2= 274 mAh\/g = 274 Ah\/kg<\/strong><\/p>\n

Spezifische Energie<\/strong> von <\/strong>
\n LiCoO2<\/u>
\n<\/strong> <\/strong>= 274 *3,7 V (x= 1. Vollst\u00e4ndige (100 %) Interkalation von Li+)<\/p>\n

= 1013 Wh\/kg<\/strong> <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Spezifische Kapazit\u00e4t und spezifische Energie f\u00fcr LiFePO4 <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Spezifische Kapazit\u00e4t von LiFePO4 <\/p>\n

= xF\/n*Mol Gewicht<\/p>\n

= 26,8\/157,75 = 169,9 mAh\/g = 170 mAh\/g = 170 Ah\/kg<\/strong><\/p>\n

Spezifische Energie von LiFePO4 = 170*3,2 V = 544 Wh\/kg<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Elektrochemie - Theoretische spezifische Energie einer Zelle <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die maximale spezifische Energie, die aus einer elektrochemischen Stromquelle gewonnen werden kann, ist gegeben durch:<\/p>\n

Theoretische spezifische Energie = 26,<\/em>8015\u00d7 (
\n nE\/<\/u>
\n<\/em>\u03a3mol<\/em>) Wh\/kg, wobei n <\/em>und E <\/em>die \u00fcblichen Bezeichnungen haben: n<\/em>, die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen und E<\/em>, die Zellspannung.<\/p>\n

Hinweis<\/p>\n

    \n
  1. Smoles<\/sub> bezieht sich auf die Summierung aller Reaktanten und man muss sich nicht um die Produkte k\u00fcmmern<\/li>\n
  2. Da die Einheit in Wh \/ kg angegeben wird (auch als Wh kg -1<\/sup> geschrieben), ist das Gesamtgewicht in kg anzugeben.<\/li>\n<\/ol>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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    \n\t\t\t\t\t

    Die spezifische Energie der Blei-S\u00e4ure-Zelle<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

    Zur Berechnung der theoretischen spezifischen Energie wird ein bekanntes Beispiel herangezogen.<\/p>\n

    Zun\u00e4chst m\u00fcssen wir die Reaktion aufschreiben und die molaren Werte der Reaktanten berechnen. Wir brauchen uns keine Sorgen um die Produkte zu machen. Bei einer Blei-S\u00e4ure-Batterie verl\u00e4uft die Reaktion folgenderma\u00dfen:<\/p>\n

    PbO2 + Pb + 2H2SO4 \u21c4 2PbSO4 + 2H2O E\u00ba = 2,04 V.<\/p>\n

    \u03a3Mol<\/sub> = 239 +207+ 2*98 in g<\/p>\n

    <\/em>= 0,642 kg<\/p>\n

    Theoretische spezifische Energie <\/em>= 26,<\/em>8\u00d7(nE\/\u03a3moles<\/u><\/em> ) Wh\/kg <\/p>\n

    = 26,8*(2*2,04\/0,642) Wh\/kg<\/p>\n

    = 26,8015*(6,3551) Wh\/kg<\/p>\n

    = 170,3 Wh\/kg.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

    Nach Tobias Placke[J Solid State Electrochem (2017) 21:1939-1964<\/em>] kann die spezifische Energie f\u00fcr eine Blei-S\u00e4ure-Zelle auch wie unten angegeben berechnet werden:<\/p>\n

    Spezifische Energie einer Zelle = <\/p>\n

    \"Specific <\/p>\n

    =1[1\/(224*2.04) + 1\/(259*2.04) + 1\/(273*2.04)]<\/p>\n

    = 1[(1\/457) + (1\/528) + (1\/557)]<\/p>\n

    = 1\/(0.002188 + 0.001893 + 0.001796)<\/p>\n

    = 1\/0.005877<\/p>\n

    = 170 Wh\/kg<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t

    Die spezifische Energie der Ni-Cd-Zelle<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

    2NiOOH + Cd \u21c4 2Ni(OH)2<\/sub> + Cd(OH)2<\/sub> E\u00ba = 1,33 V<\/p>\n

    Theoretische spezifische Energie <\/em>= 26,<\/em>8\u00d7(nE\/\u03a3moles<\/u> <\/em> ) Wh\/kg <\/p>\n

    = 26,8*(2*1,33\/0,296) Wh\/kg<\/p>\n

    = 26,8015*(8,9865) Wh\/kg<\/p>\n

    = 240,8 Wh\/kg<\/strong><\/p>\n

    Der w\u00e4ssrige KOH-Elektrolyt in diesen alkalischen Zellen ist nicht an der Zellreaktion beteiligt und<\/p>\n

    daher bei der Berechnung der spezifischen Energiewerte nicht ber\u00fccksichtigt werden. Aber einige Autoren<\/p>\n

    m\u00f6chte das Gewicht des Wassers in die Berechnung einbeziehen.<\/p>\n

    Dann w\u00fcrde die spezifische Energie auf 214,8 Wh\/kg sinken, wenn die \u03a3Mole ersetzt werden durch<\/p>\n

    0.332. Das Ergebnis ist 214<\/strong>,<\/strong>8<\/strong> Wh\/ kg<\/strong>.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t

    Die spezifische Energie der LiFePO4-Zelle<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

    (x=1. 100 % Interkalation)<\/p>\n

    = 26,<\/em>8015\u00d7(nE\/\u03a3mol<\/u> <\/em> ) Wh\/kg <\/p>\n

    = 26,8 [(1*3,2)\/(72+157,75) LiFePO4 + 6C + Null Li<\/p>\n

    = 26.8[(1*3.2)\/(229.75)] = 26.8*0.013928<\/p>\n

    = 0,37329 Wh\/g<\/p>\n

    = 373 Wh\/kg<\/strong><\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t

    Die spezifische Energie der LCO-Zelle <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

    (x=1; 100% Interkalation)<\/p>\n

    = 26,<\/em>8015\u00d7 Wh\/kg 169,87<\/p>\n

    = 26,8 [(1*3,7)\/(72+97,87)] LiCoO2 + 6C + Null Li<\/p>\n

    = 26.8 *[(3.7)\/(169.87)] <\/p>\n

    = 26.8 *0.02178<\/p>\n

    = 0,58377 Wh\/g<\/p>\n

    = 584 Wh\/kg<\/strong><\/p>\n

    Wenn x = 0,5<\/strong> (50 % Einlagerung von Li-Ionen) ist, muss 26,8 durch die H\u00e4lfte dieses Wertes, d. h. 13,4, ersetzt werden. Das Ergebnis w\u00e4re 584\/2 = 292 Wh\/kg<\/strong>.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t

    Praktische (tats\u00e4chliche) spezifische Energie einer Zelle\/Batterie <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

    https:\/\/pushevs.com\/2015\/11\/04\/gs-yuasa-improved-cells-lev50-vs-lev50n\/<\/a> <\/p>\n

    Spezifische Energie einer Batterie in Echtzeit = (mittlere Spannung * Ah) \/ (Masse der Batterie)<\/p>\n

    = (3,7 V*50 Ah1) \/ 1,7 kg (Yuasa LEV50 Einzelzelle)<\/p>\n

    = 185 \/1.7<\/p>\n

    = 108,8 Wh\/kg<\/strong><\/p>\n

    = (14,8*50)\/ 7,5 (Yuasa LEV50-4 Batterie)<\/p>\n

    = 98,7 Wh\/kg<\/strong><\/p>\n

    Echtzeit-Energiedichte einer Batterie = Wh\/Volumen = 17,1*4,4*11,5 = 865 cc<\/p>\n

    = 185\/0,865 = 214 Wh\/Liter<\/strong><\/p>\n

    = Wh\/Volumen = 17,5*19,4*11,6 = 3938 cc = 3,94 Liter<\/p>\n

    = 14,8*50 \/ 3,94 = 187 Wh \/ Liter<\/strong><\/p>\n

    Die spezifische Energie verringert sich bei der Umwandlung von Zellen in Batterien (Low kWh) um etwa 10 % und die Energiedichte bei der Umwandlung von Zellen in Batterien (Low kWh) um etwa 13 %.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Elektrochemie Definition Elektrochemische Stromquellen oder Batterien werden im Rahmen des interdisziplin\u00e4ren Fachs Elektrochemie untersucht, das sich mit den Reaktionen an der Schnittstelle zwischen elektronischen Leitern (aktiven Materialien) und Ionenleitern (Elektrolyt), der Erzeugung elektrischer Energie aus chemischen Zellen (oder der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie) und der umgekehrten Reaktion befasst, bei der elektrolytische Zellen f\u00fcr […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":25213,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[390],"tags":[],"class_list":["post-34707","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-chemien"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/34707","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=34707"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/34707\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/25213"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=34707"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=34707"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/microtexindia.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=34707"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}