Vraag 25Lithium-luchtbatterij
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?
- Met de massa van het lithium reken je eerst uit hoeveel mol lithium er in de batterij zit.
- Daarna kijk je in de reactievergelijking naar de verhouding tussen lithium en Li2O2.
- Vervolgens gebruik je de vormingswarmte om de maximale chemische energie uit te rekenen.
- Tot slot pas je het nuttig rendement toe om de energie als beweging te vinden.
Hier verliezen leerlingen punten
- Bij het eindantwoord hoort een eenheid, dus zet die er altijd bij.
- Laat elke tussenstap zien, want dan krijg je punten voor elke berekening apart.
- Rond pas af aan het eind, en let op het aantal significante cijfers van de gegeven waarden.
Met een gratis account wordt je antwoord nagekeken per scorepunt, volgens het officiële correctievoorschrift. Wat je hier typt, blijft bewaard.
De vraag als tekst
Om in een batterij zoveel mogelijk lading op te slaan in zo weinig mogelijk massa, worden batterijen ontworpen waarin zuurstof uit de lucht als oxidator optreedt. In zo’n batterij is dan alleen de reductor opgeslagen. De eigenschappen van de reductor bepalen dan in hoge mate de ladingsdichtheid. Ladingsdichtheid is gedefinieerd als de hoeveelheid lading per massa-eenheid. De aluminium-luchtbatterij is bijvoorbeeld al verkrijgbaar en veel onderzoek wordt verricht aan de lithium-luchtbatterij.
In figuur 1 is een lithium-luchtbatterij figuur 1 schematisch weergegeven. In deze opgave worden eerst de behuizing Li O 2 elektroden en dan het membraan besproken. membraan poreuze elektrode I de elektroden Op het grensvlak van het lithium en het membraan verloopt bij stroomlevering halfreactie 1. Li → Li + + e – (halfreactie 1)
Een onderzoeksgroep heeft voor de poreuze elektrode een elektrode-materiaal ontwikkeld op basis van een polymeer. In het materiaal zijn katalysatordeeltjes aanwezig, die de omzetting van zuurstof katalyseren. Bij deze omzetting wordt onder andere het O – -ion gevormd. 2 Dit ion is erg reactief en tast organische oplosmiddelen en membranen aan. Een van beide atomen in het O – -ion voldoet niet aan de oktetregel. 2
De katalysator die door de onderzoeksgroep werd gebruikt, is erg duur en door de vele bijreacties raakte het elektrodemateriaal snel beschadigd. Een andere onderzoeksgroep heeft een elektrodemateriaal ontwikkeld op basis van een eiwit. Dit materiaal bleek de genoemde nadelen minder te vertonen. De eerste stappen in de productie van dit materiaal waren globaal als volgt: – Het DNA van een virus wordt gemodificeerd. – Het virus produceert een eiwit. – Aan een oplossing van dit eiwit wordt in licht basisch milieu een oplossing met daarin Mn 2+ -ionen toegevoegd. De Mn 2+ -ionen binden aan de peptideketens door middel van ion-bindingen. De onderzoekers hebben de genetische code voor het eiwit veranderd met als doel dat de peptideketens meer Mn 2+ -ionen konden binden. Hieronder zijn met behulp van de 1-lettersymbolen van aminozuren de volgordes weergegeven van de aminozuureenheden in een deel van het oorspronkelijke eiwit en in een deel van het genetisch gemodificeerde eiwit. peptideketen A ~ADVYESALPDPAKAAFN~ peptideketen B ~ADVYESALPDPAEAAFE~
II het membraan Het membraan in de lithium-luchtbatterij is een composiet die CH 2 CH 3 bestaat uit een polymeer en een zogeheten ionische vloeistof. N Een ionische vloeistof is een zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Hiernaast is een van de aanwezige ionen van het N CH 3 gebruikte zout weergegeven. De lading van het ion is hierbij weggelaten.
Als polymeer voor het membraan gebruikten de onderzoekers het copolymeer PVDF-HFP. Dit copolymeer is door polyadditie ontstaan uit 1,1-difluoretheen en hexafluorpropeen.
Het lithium in de batterij mag niet in contact komen met lucht of water. Het membraan moet daarom heel precies in vorm worden gebracht. Een materiaal kan op twee manieren in vorm worden gebracht: 1 door het te smelten, waarna het in een mal kan worden gespoten; 2 door bewerkingen, zoals snijden en slijpen.
De totaalvergelijking van de omzettingen die verlopen in de lithium-luchtbatterij is hieronder weergegeven. 2 Li + O → Li O 2 2 2 Omdat de lithium-luchtbatterij oplaadbaar is, kan deze batterij worden gebruikt in bijvoorbeeld een auto. Het nuttig rendement bij de omzetting van chemische energie naar bewegingsenergie is hierbij 70% . De rest van de energie gaat verloren aan warmteontwikkeling en wrijving. De onderzoekers hebben een lithium-luchtbatterij gemaakt die 45 g lithium bevatte. De vormingswarmte van Li O is –6,43∙10 5 J mol –1 . 2 2
Bereken de maximale nuttige energie in joule die door deze lithium-luchtbatterij kan worden geleverd. Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.