Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler

Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler

Werkstoffe in derElektrotechnik

Grundlagen - Aufbau - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung -Technologie

ISBN-10: 3-446-40707-3ISBN-13: 978-3-446-40707-7

Vorwort

Weitere Informationen oder Bestellungen unterhttp://www.hanser.de/978-3-446-40707-7

sowie im Buchhandel

http://www.hanser.de/978-3-446-40707-7

Was können Sie mit diesem Buch lernen?

Wenn Sie dieses Lernbuch durcharbeiten, dann erwerben Sie umfassende Kenntnisse über Werk-stoffe, die Sie bei der Entwicklung von Projekten und für die Lösung produktionstechnischer Auf-gaben benötigen.

Der Umfang dessen, was wir Ihnen anbieten, orientiert sich an:● den Studienplänen der Fachhochschulen für Technik,● den Lehrplänen der Fachschulen für Technik in den Bundesländern.Jeder Problemkreis wird in praxisgerechter, dem Stand der Technik entsprechender Form aufge-arbeitet.Das heißt, Sie können dabei stets folgenden Fragen nachgehen:● Welches werkstofftechnologische Problem stellt sich dar? ● Welche Struktur und Eigenschaften der Werkstoffe liegen vor? ● Wo liegen die Lösungsmöglichkeiten und Grenzen? ● Welche Prüfverfahren sind einzusetzen?

Wer kann mit diesem Buch lernen?

Jeder, der ● sich weiterbilden möchte,● elementare Kenntnisse in der Mathematik und den Naturwissenschaften besitzt,● grundlegende Kenntnisse in der Elektrotechnik erworben hat.

Das können sein:● Studenten an Fachhochschulen in Bachelorstudiengängen,● Studenten an Berufsakademien und Ingenieure,● Schüler an Fachschulen für Technik und Techniker,● Schüler an beruflichen Gymnasien, Berufsoberschulen und Berufsfachschulen,● Facharbeiter, Gesellen und Meister während und nach der Berufsausbildung,● Umschüler und Rehabilitanden,● Teilnehmer an Fort- und Weiterbildungskursen,● Autodidakten vor allem im Bereich der Elektrotechnik.

Wie können Sie mit diesem Buch lernen?

Ganz gleich, ob Sie mit diesem Buch in Schule, Betrieb, Lehrgang oder zu Hause im „stillen Käm-merlein“ arbeiten, es wird Ihnen endlich Freude machen.

Warum?

Ganz einfach, weil Ihnen hierzu, unseres Wissens, zum ersten Male in der technischen Literatur einBuch vorgelegt wird, das bei der Gestaltung die Gesetze des menschlichen Lernens zur Grundlagemacht. Deshalb werden Sie am Anfang jedes Kapitels über die Kompetenzen zuerst mit dem bekanntgemacht, was Sie am Ende gelernt haben sollen.– Ein Lernbuch also –

Vorwort des Herausgebers

Danach beginnen Sie, sich mit den Lerninhalten auseinander zu setzen. Schrittweise dargestellt,ausführlich beschrieben in der linken Spalte des Buches und umgesetzt in die technisch-wissen-schaftliche Darstellung auf der rechten Spalte des Buches. Die eindeutige Zuordnung des behandeltenStoffes in beiden Spalten macht das Lernen leichter, umblättern ist nicht mehr nötig. Zur Vertiefungstellen Ihnen die Autoren Beispiele vor.– Ein unterrichtsbegleitendes Lehrbuch. –

Jetzt können und sollten Sie sofort die Übungsaufgaben durcharbeiten, um das Gelernte zu festigen.Den wesentlichen Lösungsgang und das Ergebnis der Übungen haben die Autoren am Ende des Buches für Sie aufgeschrieben.– Also, auch ein Arbeitsbuch mit Lösungen. –

Sie wollen sicher sein, dass Sie richtig und vollständig gelernt haben. Deshalb bieten Ihnen die Autoren am Ende jedes Kapitels anwendungsorientierte Aufgaben als Lernerfolgskontrolle an. Ob Sie richtig geantwortet haben, sagen Ihnen die Lösungen zur Lernerfolgskontrolle am Ende des Buches.– Eine Lernerfolgskontrolle mit Lösungen. –

Trotz intensiven Lernens über Beispiele, Übungen und Lernerfolgskontrollen verliert sich ein Teil des Wissens und Könnens wieder, wenn Sie nicht bereit sind, am Anfang oft und dann in immer längeren Zeiträumen zu wiederholen! Das wollen Ihnen die Autoren erleichtern.Sie haben die jeweils rechten Spalten des Buches so geschrieben, dass die wesentlichen Lerninhalteals Satz, stichwortartig, als Formel oder als Skizze zusammengefasst sind. Sie brauchen deshalb beim Wiederholen und Nachschlagen meistens nur die rechten Spalten zu lesen.– Schließlich noch Repetitorium! –

Diese Arbeit ist notwendigerweise mit dem Aufsuchen der entsprechenden Kapitel oder dem Suchen von bestimmten Begriffen verbunden. Dafür verwenden Sie bitte das Inhaltsverzeichnis am Anfang und das Sachwortverzeichnis am Ende des Buches.– Selbstverständlich mit Inhaltsverzeichnis und Sachwortverzeichnis. –

Sicherlich werden Sie durch die intensive Arbeit mit dem Buch Ihre Bemerkungen zur Sache unter-bringen wollen, um es so zum individuellen Arbeitsmittel zu machen, das Sie auch später gerne be-nutzen. Deshalb haben wir für Ihre Notizen auf den Seiten Platz gelassen.– Am Ende ist „Ihr“ Buch entstanden. –

Möglich wurde dieses Lernbuch für Sie durch die Bereitschaft der Autoren und die intensive Unter-stützung durch den Verlag und seine Mitarbeiter. Beiden sollten wir herzlich danken.

Nun darf ich Ihnen viel Freude und Erfolg beim Lernen wünschen!

Der HerausgeberManfred Mettke

Vorwort des Herausgebers6

Mit der vierten Auflage erschien das von Dr. Hans Fischer verfasste Lernbuch „Werkstoffe in derElektrotechnik“ in einer von uns vollständig neu bearbeiteten und erweiterten Form. In der vor-liegenden sechsten Auflage sehen die Autoren die Notwendigkeit, aufgrund der raschen Entwicklungauf dem Werkstoff- und Technologiebereich Kapitel zu ergänzen und neue aufzunehmen.Die didaktische Grundstruktur eines Lernbuchs bleibt auch hier erhalten. Wir verzichten auch weiterhin darauf, einen allgemeinen Überblick zu den Grundlagen der Chemie zu geben, da sie bereits in den einem Studium vorangehenden Bildungswegen hinreichend angeboten werden. Für dasVerständnis von Werkstoffeigenschaften sind allerdings Kenntnisse zum Atombau und zu Bindungs-zuständen eine unverzichtbare Voraussetzung, sie werden deshalb an den Anfang gestellt. Gemein-sam mit den Strukturmerkmalen von Werkstoffen bilden beide das Fundament zur Ursachenklärungihrer Eigenschaften. Deshalb dient uns als Einteilung für die Werkstoffe der Elektrotechnik ihr grund-legendes physikalisches und chemisches Verhalten. Dies ist das durchgehende Prinzip der Darstellungder Werkstoffgruppen. Zusammengefasst lassen sich Bindungszustände und Strukturen im Begriffder Phase ausdrücken. Das Verständnis der Bildung von Phasen ist nach wie vor für die Ableitung derEigenschaften spezieller Werkstoffe von Bedeutung, um darauf aufbauend eine zweckentsprechendeAuswahl treffen zu können. Das mechanische Verhalten von Werkstoffen bei einer Verwendung in derElektrotechnik wird im notwendigen Umfang behandelt.Die vorgenommenen Kürzungen und Streichungen gegenüber vorangegangenen Auflagen sind derAbsicht der Autoren geschuldet, in den spezifischen Werkstoffgruppen der Elektrotechnik Erweite-rungen vorzunehmen, so z.B. im Kapitel 1.3 Bildung von Ordnungszuständen in flüssigen Werk-stoffen.Ausgehend von den anerkannten theoretischen Grundlagen zur elektrischen Leitfähigkeit in Fest-körpern wird an Hand der Bändermodelle die Leitfähigkeit in Leiterwerkstoffen und Halbleitern abgeleitet. Darüber hinaus erfolgt die Übertragung dieser Theorie auf organische Leitpolymere. Fürdas Verhalten der Isolier- und Dielektrischen Werkstoffe werden die Polarisationsmechanismen herangezogen. Eine Ergänzung um aktuelle Anwendungen in der Technik hat das Kapitel Supraleitererfahren. Die Gruppe der Magnetwerkstoffe wird auf der Basis der Theorie zum Ferro- und Ferri-magnetismus besprochen. Die Autoren legen besonderen Wert auf die Erkenntnis der Übereinstim-mung zwischen ferroelektrischem und ferromagnetischem Verhalten entsprechender Werkstoffe.Gemäß der Bedeutung der Lichtwellenleiter zur Informationsübertragung als einem Hauptanliegender Elektrotechnik/Elektronik werden im Buch dazu eingesetzte Werkstoffe und ihre Eigenschaftenausführlicher dargestellt. Das Kapitel elektrochemisches Verhalten metallischer Werkstoffe erschließtdem Elektrotechniker den Zusammenhang zwischen chemischer Reaktion und Stromfluss und um-gekehrt. Auf dem Sektor der Wandlung chemischer in elektrische Energie wurden in den letzten Jahren weittragende Forschungsergebnisse in neuen Produkten praktisch wirksam, wie Lithium-Zellen und Polymerakkus. Die Auffassung der Autoren, dass bestimmte chemische Grundlagen-kenntnisse in allen technischen Disziplinen zunehmend erforderlich sind, hat sich bestätigt.Als eigenständige Kapitel hervorgehoben werden spezielle Verfahren der Siliziumtechnologie, ausSicht elektrischer Baugruppen die Leiterplattentechnik und unter Betonung der Oberflächentechnikdie Metallisierung von Dielektrika.Aus den Beurteilungen der Prüfexemplare zu vorangegangenen Auflagen konnten wir wertvolle Anregungen entnehmen, wie die Aktualisierung der Normenangaben, eine Vereinheitlichung von Be-griffen und Schreibweisen, die Erweiterung der Übungen, um den Zusammenhang zwischen Werk-stoffeigenschaften und deren Nutzung in der Elektrotechnik herauszuarbeiten sowie die Verbesse-rung der Gestaltung einiger Bilder. An dieser Stelle sei es erlaubt, uns bei den aufmerksamen und

Vorwort

kritischen Lesern für die Hinweise zu bedanken. Die zahlreichen positiven Einschätzungen des Buches bestätigen uns die Richtigkeit der gewählten Methode der Stoffdarstellung für den ange-sprochenen Leserkreis.

Mittweida, im Herbst 2006 Hansgeorg Hofmann

Jürgen Spindler

Dank der Autoren

Wir danken dem Herausgeber, Herrn Dipl.-Gewerbelehrer Manfred Mettke, und dem HANSER-Verlag für die Möglichkeit der Überarbeitung der fünften Auflage und der Herausgabe der sechsten.Wir bedanken uns bei all denen, die an der Überarbeitung zur sechsten Auflage mitgewirkt haben.Zu besonderem Dank sind wir verpflichtetFrau Angela Hänselmann für die Anfertigung neuer Zeichnungen,Frau Heike Matthes für die schreibtechnische Unterstützung undHerrn Dipl.-Ing. Andreas Eyssert für die Aktualisierung der Normen und Anfertigung von Fotos.Besonders danken wir wiederum unserer Lektorin Frau Christine Fritzsch für die aufmerksameKorrektur und der Herstellerin Frau Renate Roßbach für die satztechnische Bearbeitung.

Mittweida, im Herbst 2006 Hansgeorg Hofmann

Jürgen Spindler

Vorwort8




ISBN-10: 3-446-40707-3ISBN-13: 978-3-446-40707-7

Leseprobe


sowie im Buchhandel


Nach der Definition des Begriffes „Kristall“(1.2) erscheinen die Werkstoffbezeichnungen„Flüssigkristall (LC)“ und „FlüssigkristallinePolymere (LCP)“ verwirrend, um nicht zu sagenparadox. In einer flüssigen Phase besitzen dieBausteine, wie Ionen und Moleküle, keine Fern-ordnung und können sich durch Translation be-wegen, wobei noch zwischenmolekulare Wech-selwirkungen bestehen.

Bereits 1888 entdeckte der Botaniker Reinitzer

am Cholesterinbenzoat (siehe Bild 1.3-1) Eigen-schaften, die man bisher nur bei Kristallenkannte, wie:

● Polarisation des Lichtes (Schwingung in einer Ebene),

● richtungsabhängige elektrische Leitfähigkeit(Anisotropie),

● richtungsabhängige Viskosität (reziprokesFließvermögen),

● Streuung des Lichtes in polykristallinen Systemen.

Bei Erreichen der Schmelztemperatur von Cho-lesterinbenzoat (145,5 °C) entsteht keine klare,sondern eine milchig trübe Schmelze. Erst bei einer Temperatur von 178,5 °C wird sie klar.Beim Abkühlen wiederholt sich dieser Vorgangin umgekehrter Weise. Im genannten Tempera-turintervall beobachtet man neben dem typi-schen Verhalten einer Flüssigkeit, dem Fließen,die den Kristallen innewohnende Eigenschaft,der Lichtstreuung. Solche Phasen bezeichnetman deshalb als flüssigkristallin und ihre Struk-tur ist mesomorph. Man beschreibt vier Meso-phasen, die sich durch die Anordnung der Mole-küle unterscheiden:

1 Grundlagen50

1.3 Bildung von Ordungszuständen in flüssigen Werkstoffen

Kompetenzen

Der Lernende kann …

● unterscheiden zwischen Flüssigkristallen (LC) und Flüssigkristallinen Polymeren(LCP).

● die Bedeutung von LC und LCP für die Herstellung von Bauelementen erläutern.● die Begriffe mesomorph und mesogen erklären.● die Ordnungszustände nematisch, smektisch, cholesterisch und kolumnar darstellen

und erläutern.● die besonderen Eigenschaften von LC am Beispiel von Displays verdeutlichen.

Bild 1.3-1 Strukturformel von Cholesterinbenzoat

1. Nematische Phasen*

Nematische Flüssigkristalle bestehen aus stäb-chenförmigen Molekülen, die eine gewisse Vor-zugsorientierung aufweisen, ohne das sie eineFernordnung besitzen (Bild 1.3-2) und sichleicht in dieser Orientierungsrichtung verschie-ben lassen. Sie sind auf Grund der Orientierungder Moleküle (uniaxiale Symmetrie) anisotrop.Insbesondere zeigen nematische Flüssigkristalledie Eigenschaft der Doppelbrechung; sie weisenalso einen polarisations- und richtungsabhängi-gen Brechungsindex auf. Die Moleküle lassensich durch ein elektrisches Feld reorientieren,dies wird für LCD ausgenutzt.Eine Flüssigkristallzelle (TN-Zelle, von engl.:Twistet Nematic, deutsch: Drehzelle) bestehtaus zwei begrenzenden Glasplatten, deren In-nenseiten mit transparenten Indiumzinnoxid-Elektroden beschichtet sind. Dazwischen befin-den sich die nematische Flüssigkristallschichtund wenige Mikrometer dicke Abstandshalter.Die Moleküle der nematischen Flüssigkristall-schicht ordnen sich in eine vorgegebene Rich-tung, parallel zu der beispielsweise mit einemPolyimid beschichteten und in einer Vorzugs-richtung gebürsteten Oberfläche. Daraus resul-tiert, dass sich die Flüssigkristallmoleküle inihren Längsachsen in die Bürstrichtung orien-tieren. Die Glasplatten sind so angeordnet, dassihre Vorzugsrichtungen senkrecht zueinanderstehen. Die Polarisatoren sind mit ihrer Durch-lassrichtung parallel zur jeweiligen Bürstrich-tung angeordnet, also ebenfalls senkrecht.Ohne äußeres elektrisches Feld wird beimDurchgang des polarisierten Lichtes durch dienematische Schicht auf Grund der verdrilltenAnordnung der Moleküle in der Zelle seine Ebene um 90° gedreht, so dass das Licht denzweiten Polarisator passieren kann. In diesemZustand ist die Zelle transparent. Legt man eine Spannung an die Zelle, orientieren sich dieMoleküle parallel zum elektrischen Feld E unddie Fähigkeit der Zelle, die Polarisationsebenezu drehen, geht verloren, die Zelle ist nun dunkel. Wird die Spannung abgeschaltet, ist dieZelle wieder transparent.Auf der Rückseite der Zelle befindet sich einSpiegel (besser Reflektor oder Transflektor),

1.3 Bildung von Ordnungszuständen in flüssigen Werkstoffen 51

Bild 1.3-2 Nematischer Ordnungszustand

* griechisch: fadenförmig

der das einfallende Licht zurückwirft. Je nachEinsatzgebiet kann das Display anstelle desSpiegels auch eine weiße Hintergrundbeleuch-tung haben. Das Funktionsprinzip einer TN-Zelle zeigt Bild 1.3-3.

2. Cholesterische Phasen

Sie weist eine nematische Ordnung mit sich kon-tinuierlich drehender Vorzugsorientierung auf.Die Phase ist in fiktive Schichten zerlegbar. Esentstehen, ähnlich „Netzebenen“, übereinandergelagerte Schichten. Beim Übergang von einerSchicht zur nächsten dreht sich diese Vorzugs-richtung um eine Achse senkrecht zur Schicht,wodurch eine helikale* Überstruktur mit einerPeriodizität von einigen hundert Nanometernaufgebaut wird (Bild 1.3-4). Der Drehsinn deskontinuierlich helikal verdrillten Materialskann im oder entgegen dem Uhrzeigersinn sein, so dass man eine Links- oder eine Rechts-spirale, d.h. eine Links- oder Rechtshelix, er-hält. Cholesterische Mesophasen zeigen des-halb außergewöhnliche optische Eigenschaften,wie z.B. die Drehung der Ebene von polari-siertem Licht. Eingestrahltes Licht einer be-stimmten Wellenlänge wird in zwei zirkular polarisierte Komponenten aufgespalten (Zirku-larpolarisation). Licht der einen Polarisations-ebene wird dabei transmittiert, während die

1 Grundlagen52

10µm

ohne Spannung90° Verdrillung

hell dunkel

Polarisationsfolie

transparente Elektrode

Polarisationsfolie

U

Flüssigkristall-Molekülelektrisches

Feld

1U0

transparente Elektrode

Bild 1.3-3 Funktion einer Flüssigkristallanzeige

Bild 1.3-4 Cholesterischer Ordnungszustand

* griechisch: spiralige Molekülstruktur

andere Komponente selektiv reflektiert wird.Die Wellenlänge des reflektierten Lichts ist dabei direkt proportional zur Ganghöhe p dercholesterischen Helix. Außerdem hängt die Re-flexionswellenlänge, und damit auch der Farb-eindruck, empfindlich sowohl vom Beobach-tungswinkel als auch von der Temperatur ab.Die Temperaturabhängigkeit wird schon seitlängerer Zeit in der medizinischen Diagnostikund in Thermometern technisch genutzt. DieWinkelabhängigkeit der Reflexionsfarbe (Farb-flop) macht man sich in jüngster Zeit bei derHerstellung von cholesterischen Effektpigmen-ten zu Nutze.

3. Smektische* Phasen

Sie bilden, ähnlich der cholesterischen Phasen,eine Schichtstruktur aus, mit dem Unterschied,dass sich die Fadenmoleküle innerhalb einerSchicht gegeneinander bewegen können unddass sie mehr oder weniger senkrecht zurSchichtebene orientiert sind. Weicht die Orien-tierung von 90° zur Schichtebene ab, sprichtman von einer getilteten Phase (Bild 1.3-5). Ge-tiltete smektische Phasen können ferroelek-trisch sein und zeigen spontane Polarisation entlang einer Achse (siehe Abschn. 9.2.1). Sie ist stark temperaturabhängig. Die Wechselwir-kung zwischen elektrischem Feld und spontanerPolarisation der Moleküle hängt linear von derelektrischen Feldstärke ab, was bedeutet, dassferroelektrische Flüssigkristalle (FLC) schnell,innerhalb weniger Mikrosekunden zwischenzwei Schaltzuständen hin- und hergeschaltetwerden können.

4. Kolumnare Phasen

In ihnen sind scheibchenförmige (diskotische)Moleküle gestapelt. (siehe Bild 1.3-6). Die ne-matischen, cholesterischen und smektischenPhasen sind im Gegensatz dazu aus stäbchen-förmigen (kalamitischen) Molekülen aufge-baut. Kolumnare Phasen zeichnen sich durchspezifische optoelektronische Eigenschaftenaus. Änderungen der in der Scheibenebene lie-genden Substituenten haben einen großen Ein-fluss auf die Ordnung der kolumnaren Phasen.Durch die höhere Ordnung wird die Ladungs-

1.3 Bildung von Ordnungszuständen in flüssigen Werkstoffen 53

* griechisch: seifig

n

Bild 1.3-5 Smektischer Ordnungszustand

Bild 1.3-6 Kolumnarer Ordnungszustand

trägerbeweglichkeit um mehrere Größenord-nungen erhöht und die Beweglichkeit wird zu-dem unabhängig von der Temperatur und demelektrischen Feld (siehe Abschn. 5.1).Der geringe Energieaufwand von wenigen µW · cm–2 Anzeigenfläche ist das entscheidendeKriterium für die breite Anwendung von Flüs-sigkristallen in Displays (siehe Bild 1.3-7), z.B.in Uhren, Rechnern, Tachos, Foto- und Film-geräten, Geräten der Telekommunikation,u.a.m.Neben den niedermolekularen Flüssigkristall-systemen finden auch makromolekulare flüssig-kristalline Werkstoffe (LCP für Liquid CristalPolymer) Anwendung. Es existieren auch hier,in Analogie zu den niedermolekularen Syste-men, die Ordnungszustände nematisch, choles-

terisch und smektisch. In der Kunststofftechnikbenutzt man auch den Begriff SRP (engl. SelfReinforcing Polymers = selbstverstärkende Polymere) für diese flüssigkristallinen Polyme-ren. In diesem Begriff kommen ihre typischenEigenschaften, die Kunststofffaserverbundenentsprechen, zum Ausdruck. Die hohe thermi-sche und mechanische Belastbarkeit und güns-tige Verarbeitungseigenschaften ermöglichenden Einsatz von Kunststoffen in Bauelementen,die bisher anorganischen Materialien vorbehal-ten waren.

Übung 1.3-1

Mit Hilfe welcher physikalischen Eigenschaftenkönnen Sie den flüssig-kristallinen Zustandcharakterisieren?

Übung 1.3-2

Welche spezifischen Eigenschaften zeigen ko-lumnare und cholesterische Ordnungszuständeund wodurch werden sie verursacht?

Übung 1.3-3

Aus welchem Grund sind LCPs anisotropeWerkstoffe?

Übung 1.3-4

Erklären Sie die Möglichkeit der Darstellungvon Ziffern und Symbolen durch Flüssig-kristallanzeigen!

1 Grundlagen54

Bild 1.3-7 Flüssigkristallanzeige in einem pH-Messgerät




ISBN-10: 3-446-40707-3ISBN-13: 978-3-446-40707-7

Leseprobe


sowie im Buchhandel


Redox-Reaktionen zwischen Metallen und Metallionen kann man bei geeigneter Versuchs-anordnung in getrennten Gefäßen ablaufen lassen. Es wird dadurch möglich, den bei spon-tan ablaufenden Redox-Reaktionen erfolgen-den Elektronenaustausch in Form des elektri-schen Stromes zu nutzen. In einem galvanischenElement wird das erreicht, indem Oxidations-und Reduktionsmittel in getrennten „Räumen“untergebracht sind (siehe Bild 3.2-1). Elektro-nen können dann nur über einen äußeren Weg,den elektrischen Stromkreis, fließen.Der größte Teil der heute eingesetzten galvani-schen Zellen beruht auf dem bereits 1866 vonLechlanché entwickelten Prinzip der Oxida-tion von Zink, der negativen Elektrode (Anode,Oxidation, Elektronen werden frei), und der Reduktion von Braunstein, der positiven Elekt-rode (Katode, Reduktion, Elektronen werdenverbraucht). In ihrer technischen Ausführung(siehe Bild 3.2-2) weisen die Batterien entspre-chend des Verwendungszweckes vielfältigeUnterschiede (siehe Tabelle 3.2-1) hinsichtlichkonstruktiver Merkmale und stofflicher Vielfaltder Elektrodenmaterialien und der Elektrolyteauf. Dadurch erreicht man eine Anpassung an unterschiedliche Forderungen der Praxis,wie Lebensdauer, Größe, Energiedichte, Ent-ladungscharakteristik, Auslaufsicherheit (leakproof), Entsorgbarkeit, Recycelbarkeit u.a.Eine Variante zur Zink-Braunstein-Zelle mitsaurem Elektrolyt ist die alkalische Zink-Braunstein-Zelle (Alkaline). Wegen der im Ver-gleich zur „sauren“ Zelle besseren Energie-dichte, bei höherer Dauerbelastung, ist dieAlkaline-Zelle für einige elektromotorische Ge-räte, z.B. Kameras, trotz ihres relativ hohen

3.2 Galvanische Zellen 113

3.2 Galvanische Zellen

Kompetenzen

Der Lernende kann …

● die Funktionsweise einer galvanischen Zelle erläutern.● das Primärelement und Sekundärelement am Beispiel demonstrieren.● die Vorgänge in Zellen mit Metallanoden formulieren.● den Lade- und Entladezyklus in Form chemischer Gleichungen darstellen.● ökologische und ökonomische Aspekte des Einsatzes elektrochemischer Spannungs-

quellen ableiten.

Zelle: kleinste elektrochemische Einheiteiner Spannungsquelle, ohne ge-brauchsfertiges Gehäuse

Batterie: durch Kontakte miteinander ver-bundene Zellen in gebrauchsferti-gen Gehäusen

Bild 3.2-1 Galvanische Zelle als Spannungsquelle

Die Elektrode, an der die Oxidation stattfin-det, ist die Anode.Die Elektrode, an der die Reduktion stattfin-det, ist die Katode.

Minuspol:Zn Zn2+ + 2e– (Oxidation)Pluspol:MnO2 + H+ + e– MnO(OH) (Reduktion)

Folgereaktion:

2 MnO(OH) Mn2O3 + H2O

Preises besonders geeignet. Außerdem kann siein begrenztem Umfang als Sekundärzelle ver-wendet werden.Die Zink-Silberoxid-Zelle besteht aus einer Paste aus Zinkpulver (Anode) und einer Ag2O-Paste als Katode. Der Elektrolyt ist Kalium-hydroxidlösung. Die Zelle ist wegen ihrer hohenEnergiedichte die derzeit am meisten verwen-dete Miniaturzelle für elektronische Uhren,Taschenrechner und weitere elektronische Ge-räte. Ihre Ruhespannung von 1,8 V sinkt bei Belastung auf 1,5 V und bleibt mit diesem Wertlange Zeit konstant. Dieser Vorzug erklärt dieumfangreiche Anwendung der Zelle, trotz ihreshohen Preises.In der Zink-Luft-Zelle (siehe Bild 3.2-3) ist Zinkin Form von Zinkpulver wieder die Anode. DerLuftsauerstoff reagiert unter Aufnahme derElektronen in Gegenwart von Luftfeuchtigkeitan der katalytischen Katode zu OH–-Ionen. Dadie Katode sehr dünn ist, steht für das Anoden-material ein großes Volumen zur Verfügung,wodurch diese Zellen, im Vergleich mit ande-ren elektrochemischen Spannungsquellen diehöchste Energiedichte erreichen. Ein typisches

3 Elektrochemisches Verhalten metallischer Werkstoffe114

Zellengefäß

negative Ableitung

Isolation

Bodenkontaktplatte

Polkappe

Elektrolyt

Separator

Depolarisator(MnO )

Zinkbecher

Zinkgel

Isolation

2

+

-

Dichtung und Isolation

Zellenbecher

Metallbecher

Zinkpulver

Elektrolytvlies

Katode

a) b)

+

-

Zinkmantel(Anode)

Graphit -Katode

Elektrolytgelaus NH Cl,MnO und Kohle

42

-

Bild 3.2-2 Aufbau handelsüblicher Batterien a) Zink-Kohle-Zelle; b) Alkaline-Zelle; c) Knopfzelle

c)

Tabelle 3.2-2 Energiedichten von Primärelementen

Typ Energiedichte in Wh · kg–1

Leclanché-Zelle 40–70

Alkaline-Zelle 90–100

Zink-Silberoxid-Zelle 120–190

Lithium-Zelle 250–300

Negativer Pol

Kunststoffdichtung

Zinkpulver

Positiver Pol

(Anode)

Luftloch

FilterpapierTeflonfolie

NetzMasse

Separator

Bild 3.2-3 Zink-Luft-Zelle

Einsatzgebiet sind Batterien für Hörgeräte. Imnicht aktivierten Zustand (versiegelte Luftöff-nung) sind Zink-Luft-Batterien nahezu unbe-grenzt lagerfähig. Bis zum Gebrauch sind siedeshalb luftdicht verschlossen zu halten. Nachihrer Aktivierung ist die Zelle in maximal 500 hentladen.

Bei der Weiterentwicklung elektrochemischerZellen hat sich das Metall Lithium als negativeElektrode (Anode) als sehr günstig erwiesen.Das Alkalimetall Lithium mit einem Standard-potenzial von –3,05 V reagiert leicht mit Wasser.Deshalb kommen in derartigen Zellen nur was-


Tabelle 3.2-1 Übersicht zu handelsüblichen elektrochemischen Spannungsquellen

Bezeichnung U Energie- Besondere Merkmale Anwendungen[V] dichte

[Wh/kg]

Primärbatterien

Zink-Kohle 1,5 40–70 Für weniger anspruchsvolle Taschenlampen, Spielzeuge,(ZnC) Anwendungen FernbedienungenLechlan-

ché-Element

Alkali-Mangan 1,5 90–100 Wird hoher Stromanforderung Tragbare Audiogeräte,(AlMn) = und Dauernutzung gerecht Fotoapparate, SpieleAlkaline

Zink-Luft 1,4 300 Hohe Belastbarkeit Hörgeräte, Personenrufgeräte(Zn-Luft)

Lithium (Li) 3,0 250–300 Hohe Belastbarkeit, niedrige Fotoapparate mit hohem Strom-Selbstentladung bedarf, elektronische Daten-

speicher

Silberoxid 1,55 120–190 Hohe bis mittlere Belastbarkeit Uhren, Fotoapparate,(AgO) Taschenrechner

Sekundärbatterien (Akkus)

Blei-Akku 2,0 40 Bis 2000 Lade-/Entladezyclen, Starterbatterie, NotstromGelelektrolyt, wieder aufladbar versorgung

Nickel-Cad- 1,2 20 Sehr hohe Belastbarkeit, Schnurlose Telefone, elektrische mium (NiCd) wieder aufladbar Zahnbürsten, Akkuwerkzeuge,

Notbeleuchtungen

Nickel-Metall- 1,2 60 Hohe Belastbarkeit, wieder Handys, schnurlose Telefone,hydrid (NiMH) aufladbar Camcorder, Rasierer

Lithium-Ionen 3,7 130 Hohe Belastbarkeit, hohe Handys, Camcorder, Notebooks,(Li-Ion), Energiedichte, wieder aufladbar OrganizerLithium-Poly-mer (LiPo)

serfreie Elektrolyte zur Anwendung, die aus organischen und anorganischen Lösungsmit-teln unter Zusatz geeigneter Salze, wie LiBF4

(Lithiumtetrafluoroborat), bestehen. Da hierkeine wässrigen Elektrolyte zur Anwendungkommen, spricht man von protonenfreien Elekt-

rolyten (keine H+-Ionen). Daraus ergibt sich fürden Einsatz ein Temperaturbereich von –55 bis+ 85 °C und eine Lagerzeit bis zu 10 Jahren, beieinem Kapazitätsverlust von ca. 1 % pro Jahr.

Praktische Bedeutung besitzen die Lithium-Mangandioxid-Zellen, wobei das MnO2 die Katode bildet. Einsatzgebiete sind die Foto-technik, Messtechnik und Telekommunikation.

Eine ungewöhnliche Form bildet die sehr dünneLithium-Papier-Zelle, deren Dicke bei 0,5 mmliegt und sich besonders zur Stromversorgungvon Smartcards eignet. Das sind aktive Kartenmit batteriebetriebenem Mikrochip sowie inte-griertem Display.Das Primärelement liefert nur solange Strom,wie der zugrunde liegende Redox-Prozess ab-läuft. Ist z.B. beim Lechlanché-Element dasZink in Lösung gegangen, kann keine elektri-sche Energie mehr entnommen werden. Manmüsste, um das Primärelement zu regenerieren,die Endprodukte des Redox-Prozesses entfer-nen, die verbrauchten Elektroden ersetzen undfrischen Elektrolyten einbringen. Bei galvani-schen Elementen, in denen die potenzialbestim-menden Reaktionen reversibel sind, besteht die Möglichkeit, sie durch den elektrischenStrom durch Umkehrung der Stromrichtung in den ursprünglichen Zustand zurückzufüh-ren. Diese Art von Spannungsquellen heißenSekundärelemente, auch als Akkumulatoren be-zeichnet.Lithium-Ionen-Zellen sind Akkumulatoren, beidenen Lithium-Ionen im Elektrodenmaterialeingelagert vorliegen (Interkalations-Elektro-den). Die Lithium-Ionen-Batterien unterschei-den sich völlig von den Li-MnO2-Batterien. Esliegt ein völlig neuer Typ galvanischer Elementevor; die Ionen des Elektrolyten sind nicht amRedox-Prozess beteiligt.Die Elektroden bestehen einerseits aus Verbin-dungen wie Li2MnO2 (Lithiummanganat(II) =Li2O · MnO) oder Li2CoO2 (Lithiumcobal-tat(II) = Li2O · CoO), andererseits aus Graphit.Zwischen den Elektroden werden über den


äußeren Stromkreis Elektronen ausgetauscht.Den Ladungsausgleich durch den Elektrolytenbewirken die Lithium-Ionen, die aber am ei-gentlichen Redox-Prozess nicht weiter beteiligtsind.Daraus ergibt sich folgende Halbzellenanord-nung:

Li2MnO2/organisches Lösungsmittel/Li-Salz, Graphit

Als organische Lösungsmittel eignen sich Ethy-len- oder Propylencarbonat.

Den Gesamtvorgang im Akkumulator kannman wie folgt formulieren:

Entladen

MnO2 + Graphit2– MnO22– + Graphit

Laden

Die Lithium-Ionen wandern („schwingen“)zum Ladungsausgleich beim Laden und Ent-laden zwischen den Elektroden hin und her. Ausdiesem Grund wird der Lithium-Ionenakkumu-lator auch als „Swing“-Batterie bezeichnet.Eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-akkumulators stellt der Lithium-Polymerakku(LiPo) dar. Als Anode dient entweder Lithium-folie oder Li2-Graphit. Der Separator bestehtaus einem Elektrolyt (z.B. LiClO4) in einer Polymermatrix (z.B. Polycarbonat).Die Katodewird gebildet durch Metalloxid in einer Poly-mermatrix (siehe Bild 3.2-4). Die Vorteile von festen Polymermatrizes sind die deutlich


Ethylencarbonat Propylencarbonat

Beim Entladen laufen folgende Vorgänge ab:Pluspol:MnO2 + 2 Li+ + 2 e– → Li2MnO2 (diese Elektrode ist jetzt Katode)Reduktion

Elektronenfluss fließen über denäußeren Stromkreis

Minuspol:Li2Graphit → Graphit + 2 e– → 2Li+ (diese Elektrode ist jetzt Anode)Oxidation

O

O

O

O

O

OCH3

höhere Sicherheit gegenüber herkömmlichenAkkumulatoren sowie die geringe Dicke einerZelle von ca. 100 mm. Somit lässt sich in einemkleinen Volumen eine hohe Leistung verwirk-lichen. Lithium-Polymerakkus zeigen nur sehrgeringe Neigung zur Selbstentladung, keinenMemory-Effekt und erwärmen sich beim Ent-laden nur sehr wenig. Deshalb können LiPo-Akkupacks mehrere Stunden vor Gebrauch geladen und unmittelbar nach dem Gebrauchsofort wieder geladen werden.Ein nach wie vor wichtiges Sekundärelement istder Bleiakkumulator z.B. in Form der Starter-batterie im Auto. Der schematische Aufbau istim Bild 3.2-5 und ein handelsüblicher Akku im3.2-6 dargestellt. Die Elektroden des Bleiakkusbestehen aus einer Anzahl von Bleigitterplatten,die mit schwammartigem Blei beschichtet sind,den Anodenplatten, oder mit Blei-(IV)-oxidPbO2, den Katodenplatten. Als Elektrolyt dientSchwefelsäure mit der Dichte zwischen 1,18 bis1,28 g · cm–3, entspricht ca. 30%iger Schwefel-säure. Bei der Stromentnahme verläuft eine Redox-Reaktion zwischen Pb und PbO2, dabeientsteht PbSO4. Beim Laden verlaufen die um-gekehrten Vorgänge.Die Gesamtreaktion, die auch die Veränderungder Dichte beim Lade-/Entladezyklus erklärt,lautet:

Entladen

Pb +PbO2 +2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2OLaden

Der Zahlenwert der Säuredichte soll nicht unter1,1 g · cm–3 sinken. Im unbelasteten Zustand desAkkumulators verlaufen die Elektrodenreak-


Bild 3.2-5 Aufbau einer Bleiakkumulatorzelle(schematische Darstellung)

Li oder Li-Verbindungen (z.B. MeO in Polymermatrix)

Graphitverbindungen

Elektrolyt(z.B. LiClO4 in Polycarbonatfo

(Anode)

(Katode)

Bild 3.2-4 Prinzipieller Aufbau eines Lithium-Polymerakkumu-lators

tionen des Entladevorganges mit geringen Re-aktionsgeschwindigkeiten. Dabei entsteht fein-kristallines und elektrisch nicht leitendes Blei-sulfat, das beim Ladevorgang nicht wieder in Pbund PbO2 rückführbar ist. Diese Erscheinungheißt Sulfatierung. Sie führt zur Verringerungder Ladekapazität (analog zur Energiedichte).Entladene Akkumulatoren sollten sofort wie-der geladen werden. Der Wirkungsgrad desBleiakkumulators beträgt 75 bis 85 %, die Energiedichte erreicht Werte zwischen 30 und40 Wh · kg–1. Die Ruhespannung der einzelnenZelle beträgt rund 2 V, die Ladeschlussspan-nung 2,7 V. Je nach Typ lassen sich 2000 Lade-/Entladezyklen erreichen.Moderne Bleiakkumulatoren sind „wartungs-frei“. Sie haben einen Gel-Elektrolyt, so dass eine Kontrolle des Elektrolytstandes entfallenkann und der Akku unabhängig von der Lagebetrieben werden kann.Darüber hinaus werden als Akkumulatoren mitNickel als Katode Kaliumhydroxidlösungenunterschiedlicher Konzentrationen als Elektro-lyt und unedleren Metallen als Anode einge-setzt. Das sind:● Nickel-Eisen-Akkumulatoren● Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und● Nickel-Zink-Akkumulatoren.Einen Vergleich dieser Akkus zum Bleiakku gibtTabelle 3.2-3.Der Einsatz von Gerätebatterien, gleich ob alsPrimärelement oder Akku, nimmt weltweitdeutlich zu. Immer neue elektronische Geräte,die unabhängig von der Steckdose betriebenwerden können, kommen auf den Markt. Da-raus resultiert das Erfordernis, die Leistung und Sicherheit elektrochemischer Spannungs-quellen zu verbessern. Ein Weg dazu ist die Verwendung neuer Werkstoffe, z.B. verbesser-ter Ionenleiter vom Typ der Defekt-Perows-kite.Batterien liefern Strom durch ablaufende che-mische Reaktionen. Dabei werden zur Speiche-rung der elektrischen Energie Stoffe verwendet,die zum Teil umweltrelevant sind. Somit ergibtsich ein weiterer Aspekt bei der Batterieent-wicklung. Der Zweck der Herstellung und Ver-wendung von Batterien besteht in der Nutzungelektrischer Energie, die bei chemischen Reak-tionen frei wird.


Bild 3.2-6 Schnitt durch einen handelsüblichenBleiakku

Tabelle 3.2-3 Vergleich des Bleiakkumulators mitanderen Akkumulatortypen

Typ Vorteile Nachteile

Ni-Fe stabilere Lade-/Ent- Energiedichte:ladezyklen, höhere 15–22 Wh · kg–1

Lebensdauer, Wirkungsgrad der geringere Masse Ladereaktion:

50 % Selbstent-ladung unter H2-Bildung (gas-dichte Ausführung nicht möglich)

Ni-Cd gasdichte Aus- Energiedichte:führung möglich 20 Wh · kg–1, teurer

Ni-Zn 3–4fache Energie- geringere Lebens-dichte dauer

negativer Pol (Anode):±0 +2

Pb → Pb2+ + 2e–

positiver Pol (Katode):+4 +2

Pb4+ + 2e– → Pb2+

Genauso bedeutungsvoll für die praktische Anwendung ist der umgekehrte Weg, die Elek-trolyse. Sie bietet damit eine Möglichkeit derStoffumwandlung durch elektrischen Strom(siehe Bild 3.2-7). Industriell findet die Elek-trolyse Anwendung z.B. in der galvanischenAbscheidung von Metallschichten (Galvanisie-ren), zur Herstellung von Metallen, wie Al, Cuu.a.

Übung 3.2-1

Skizzieren Sie ein galvanisches Element, das auseiner Nickel- und einer Zink-Elektrode besteht.Der Zinkstab taucht in eine Zinksulfatlösungein, der Nickelstab in eine Nickelsufatlösung!

1. Bezeichnen Sie jeweils Anode und Katodeund formulieren Sie den Anoden- und Kato-denvorgang!

2. Bestimmen Sie die Bewegungsrichtung vonElektronen und Ionen beim Entladungsvor-gang!

3. Berechnen Sie die Zellspannung unter Stan-dardbedingungen!

Übung 3.2-2

Erklären Sie den Unterschied von Primär- undSekundärelementen!

Übung 3.2-3

Welche Vorteile bringt der Einsatz wasserfreierElektrolyte in galvanischen Zellen?

Übung 3.2-4

Charakterisieren Sie die unterschiedlichen Li-thium-Zellen!

Übung 3.2-5

Warum kann man den Ladezustand eines Blei-akkumulators überprüfen, in dem man dieDichte der Batterieflüssigkeit misst?

Übung 3.2-6

Welche Pole der Stromquelle und des Blei-Ak-kus müssen beim Laden miteinander verbunden


Bild 3.2-7 Elektrolysezelle der Kupferraffination

Documents

Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler