Vraag 17Zeewater-accu
Schreef je op papier? Maak een foto van je uitwerking op papier. Je foto blijft privé en de nakijker leest hem. Zet je naam er niet op.
Hoe pak je dit aan?
- Bekijk in figuur 2 goed hoe beide elektroden er van binnen uitzien.
- Bedenk welke deeltjes in de elektrode kunnen doordringen en welke niet.
- Denk na over wat er per gram elektrodemateriaal kan gebeuren bij opladen.
- Zet je conclusie over de energie van beide accu's in een zin met een reden.
Hier verliezen leerlingen punten
- Een antwoord zonder verwijzing naar figuur 2 levert vaak minder punten op.
- Een conclusie zonder reden erbij krijgt niet alle punten, dus geef ook het waarom.
- Let op dat je de vergelijking maakt tussen beide elektroden en niet alleen over één elektrode schrijft.
Met een gratis account wordt je antwoord nagekeken per scorepunt, volgens het officiële correctievoorschrift. Wat je hier typt, blijft bewaard.
De vraag als tekst
De huidige lithium-ionbatterij is geschikt voor de duurzame opslag van energie, maar het benodigde lithium is schaars. Daarom wordt onderzoek gedaan naar een accu die natrium-ionen gebruikt. Na + -ionen zijn overvloedig aanwezig in zeewater. De molariteit van de Na + -ionen hierin is gemiddeld 470 mmol per liter zeewater.
Een accu die Na + -ionen uit zeewater gebruikt, wordt een zeewater-accu genoemd. Het opladen van een bepaald type zeewater-accu is in figuur 1 schematisch weergegeven. figuur 1 Oplossing A bevat het zout natriumtrifluormethaansulfonaat ( NaCF SO ). 3 3 Dit zout bevat twee soorten ionen: Na + -ionen en trifluormethaansulfonaat-ionen.
Bij het opladen vindt aan de natriumelektrode een halfreactie plaats waarbij Na + -ionen uit oplossing A worden omgezet tot natrium. Zeewater is licht basisch. Aan de koolstofelektrode reageren bij het opladen hydroxide-ionen tot zuurstof en water volgens halfreactie 1. opladen: 4 OH – → O + 2 H O + 4 e – ( halfreactie 1) 2 2
De accu kan uiteraard ook stroom leveren .
De natrium-elektrode is goed afgesloten voor water. Als toch een kleine hoeveelheid water in de elektroderuimte terechtkomt, kan water reageren met natrium. Hierbij wordt vast natriumhydroxide ( NaOH ) gevormd. Ook ontstaat een andere stof, hierop is gevarenzin H220 van toepassing.
Vanwege de risico’s van het gebruik van natriumelektroden is onderzoek gedaan naar het gebruik van andere elektroden in zeewater-accu’s. Een van de onderzochte elektroden is een elektrode van di-antimoontrisulfide ( Sb S ). Deze stof reageert bij opladen met Na + -ionen tot het metaal 2 3 antimoon ( Sb ) en een zout (halfreactie 2). Vervolgens worden Sb -atomen en Na + -ionen omgezet tot de legering Na Sb (halfreactie 3). 3 Sb S + 6 Na + + 6 e – → 2 Sb + 3 Na S (halfreactie 2) 2 3 2 2 Sb + 6 Na + + 6 e – → 2 Na Sb (halfreactie 3) 3 In halfreactie 3 neemt een van de deeltjes elektronen op.
Uit halfreacties 2 en 3 blijkt dat per mol Sb S veel elektronen worden 2 3 opgenomen. Dit is een belangrijk gegeven voor de energiedichtheid van een accu. De energiedichtheid van deze accu is de hoeveelheid energie die per kg elektrodemateriaal ( Sb S ) kan worden geleverd. 2 3 De energiedichtheid wordt uitgedrukt in Wh kg –1 (wattuur per kg). De maximale energie die deze accu per mol elektronen kan leveren, is 51 Wh .
Een probleem met een massieve Sb S -elektrode is dat Na + -ionen moeilijk 2 3 tot het binnenste gedeelte van de elektrode kunnen doordringen (figuur 2a). Hierdoor is de elektrode minder efficiënt. De onderzoekers hebben daarom een elektrode gemaakt waarin het Sb S in de vorm van 2 3 dunne naaldjes (figuur 2b) aanwezig is. figuur 2 SB 2 S 3 -elektrode elektronenmicroscoop-opname (bestaande uit een massieve staaf van een SB 2 S 3 -elektrode (bestaande uit naaldjes) De gemiddelde diameter van de atomen in de naaldjes is 3,7 Å (1,0 Å = 0,1 nm).
Leg uit of een accu met een elektrode in de vorm van naaldjes meer of minder energie kan opslaan dan een accu met een elektrode in de vorm van een even zware massieve staaf. Gebruik figuur 2.