Aufgabe:
ich würde gerne die während des Ladens und Entladens entstehen reversible Reaktionswärme einer Lithium-Ionen-Batterie ermitteln. Zusätzlich würde ich gerne die Wärme ermitteln, die durch Nebenreaktionen der Elektronen mit dem Elektrolyten bei zu hohe Strömen entsteht.
Es geht um eine Lithium-Ionen-Batterie mit LiNiMnCoO2 (NMC) als positives Aktivmaterial. Es gelten die folgenden Reaktionsgleichungen:
Positive Elektrode (NMC)
\( \mathrm{Li}_{1-x} \mathrm{MO}_{2}+x \mathrm{Li}^{+}+x e^{-} \xrightarrow{\text { Entladung }} \mathrm{LiMO}_{2} \)
Negative Elektrode (Graphit)
\( L i_{x} C_{n} \xrightarrow{\text { Entladung }} n C+x \mathrm{Li}^{+}+x e^{-} \)
Redox-Reaktion
\( L i_{1-x} \mathrm{MO}_{2}+L i_{x} \mathrm{C}_{n} \xrightarrow{\text { Entladung }} \mathrm{LiMO}_{2}+n \mathrm{C} \)
Für die reversible Wärme, die während des Ladens entsteht gilt Q = dS * T. Um dS zu ermitteln, würde ich gerne die Standardreaktionsenthalpie und die freie Standardreaktionsenthalpie für die Substanzen einer LiNiMnCoO2 bestimmen.Ich würde wie in folgendem Beispiel vorgehen:
Entladung / Ladung
\( 2 \cdot\left(\beta-\mathrm{NiOOH} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\right)+\mathrm{H}_{2} \rightleftharpoons 2 \cdot \mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_{2}+2 \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)
| Substanz | Standardreaktionsenthalpie
\( \Delta_rH^\circ \) [kJ/mol]
| freie Standardreaktionsenthalpie
\( \Delta_rG^\circ \) [kJ/mol]
|
|---|
| \(H_2\) | 0 | 0 |
| \(\beta - Ni(OH)_2\) | -537.8 | -453.5 |
| \(H_2O\) | -285.8 | -237.2 |
| \(\beta - NiOOH \cdot H_2O\) | -676.0 | -561.0 |
In einem anderen Beispiel wurde die beim Laden/Entladen einer Batterie entstehende reversible Wärme für eine Nickel-Metallhybrid-Batterie (NiMH) ermittelt:
\( \begin{array}{l}\mathrm{NiOOH}+\mathrm{H} 2 \mathrm{O}+\mathrm{e} \rightleftarrows \mathrm{Ni}(\mathrm{OH}) 2+\mathrm{OH} \\ \mathrm{MH}+\mathrm{OH} \rightleftarrows \mathrm{M}+\mathrm{H} 20+\mathrm{e}\end{array} \)
Für dS * T bei 25 °C hat sich Q1 = dS * T = 29,3 kJ/H2 mol ergeben.
Zusätzlich wurde die irreversible Wärme bestimmt, die durch Nebenreaktionen der Elektroden mit dem Elektrolyten beim Laden bei zu hohem Strom entsteht:
\( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{H}_{2}+1 / 2 \mathrm{O}_{2}+\mathrm{Q}_{2} \)
Standardreaktionsenthalpie dH = -285,9 kJ/molT * dS = -48,6 kJ/mol (bei 25 °C)
Zusätzlich wurde die folgende Gleichung in Betracht gezogen. Der Zusammenhang ist mir nicht ganz klar. Vielleicht kann mit jemand erklären, wieso diese beiden Gleichungen aufgeführt werden.
\( 2 \mathrm{H}+1 / 2 \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{Q}_{3} \)
Zur Ermittlung der Wärme, die sich durch Nebenreaktionen der Elektronen mit dem Elektrolyten ergibt, wurde dH in Betracht gezogen.
Qreact = dH
Die Gibbs-Helmholtzsche Gleichung lautet: dG = dH - dS * T.
Dabei beschreibt dS * T die Umwandlung der während des Ladens und Entladens entstehnden Energie in Wärme und dH die Umwandlung der Energie in Arbeit. Ich vermute in der Batterie wird Arbeit verrichtet und es kommt zu einem irreversiblen Schaden. Vermutlich ist das der Grund ist.
Besteht die Möglichkeit die Standardreaktionsenthalpie und die freie Standardreaktionsenthalpie für die Substanzen Li Ni Mn Co O2 zu ermitteln? Ich habe nach Tabellen gesucht, jedoch leider nichts dazu gefunden.
