Lesbrief batterij 5HAVO (PDF

Lesbrief 5 havo – De batterij van je telefoon
1. Je eigen telefoon
Bijna alle leerlingen in deze klas hebben één of meerdere mobiele
telefoons in hun broekzak. Maar weten jullie ook hoe je telefoon
werkt? Vandaag gaan we kijken naar het hart van je mobiele telefoon.
Nee, niet de SIM-kaart, die werkt als geheugen. Hetgene wat pompt.
Geen bloed in het geval van je mobiele telefoon, maar elektronen.
Juist ja, de accu. Maak je mobiele telefoon eens open en kijk eens
wat er allemaal staat op de accu van je mobiele telefoon.
Op bijna alle accu’s staat de aanduiding Li-ion.
Figuur 1: Accu van een iPhone.
Deze les heeft als doel dat jullie:
kunnen vertellen welke reacties optreden tijdens het laden en
ontladen van jullie Li-ion batterij.
kunnen uitrekenen hoeveel accu’s gerecycled moeten worden
om een nieuwe mobiele telefoon aan te kunnen schaffen.
2. Opladen van je accu
De batterij van je (smart)phone kun je opladen of ontladen. Het
opladen doe je door de accu te verbinden met het elektriciteitsnet.
Tijdens het opladen slaat je accu de elektrische energie op voor later
gebruik.
1. Leg uit of het opladen van je mobiele telefoon een endotherm
of een exotherm proces is.
2. Leg uit of de accu tijdens het opladen werkt als een
elektrochemische cel of als een electrolyse cel.
Net als bij een penlite batterij heeft een accu twee elektroden, je
kunt ze alleen niet zien, want ze zitten in de accu. In figuur 2 staat
een schematische weergave van de accu. De negatieve elektrode is
gemaakt van grafiet. De positieve elektrode is opgebouwd uit een
dubbelzout van het element lithium, samen met een
overgangsmetaaloxide, zoals bijvoorbeeld LiCoO2.
Figuur 2: Schematische weergave van
een lithium-ion batterij.
3. Geef de systematische naam van LiCoO2.
4. Geef het nummer en de naam van de groep van het periodiek
systeem waartoe het element lithium behoort. Geef tevens
aan wat kenmerkend is aan deze elementengroep.
Zowel het metaal als het ion lithium reageert heftig met water,
daarom bevat de batterij een organisch elektrolyt.
5. Wat is de functie van de organische elektrolyt in de batterij?
1
Het opladen van de accu is op te delen in twee halfreacties:
Aan de positieve elektrode reageert het LiCoO2 tot kobalt(IV)oxide,
waarbij een lithium-ion en een elektron vrijkomt.
Aan de negatieve elektrode wordt dit lithium-ion en het elektron
opgenomen in kristalrooster van grafiet: C + Li+ + e-  LiC
6. Reageert de grafiet elektrode als een oxidator of als een
reductor tijdens het opladen van de Li-ion accu?
7. Schrijf de halfreacties van de oxidator en de reductor onder
elkaar op en leid met behulp van deze bovenstaande
vergelijkingen van de halfreacties de vergelijking van de
totale redoxreactie af.
3. Ontladen van je accu
Als je mobieltje aan staat, dan ontlaadt je accu. Het element lithium
(grote blauwe ballen in figuur 3) dat in het grafietrooster zit, staat
een elektron af en verplaatst zich als een lithium-ion naar de
kobalt(III)oxide-elektrode. De halfreacties zijn precies tegengesteld
aan die van het opladen van de accu.
Als je nogmaals naar je accu kijkt zie je ook het voltage erop staat,
bij een Li-ion batterij is dit 3,7 V. Daarnaast staat ook de
ladingscapaciteit erop, bijvoorbeeld 5,25 W·hr. Dit is een maat voor
het aantal mol lithiumionen dat in het grafietrooster is gebracht.
1ste Elektrolysewet van Faraday (bron: Wikipedia)
Figuur 3: elementair lithium
opgeslagen in een grafietrooster
Het aantal mol elektronen (n) is gelijk aan de overgedragen lading (in
Coulomb), gedeeld door de constante van Faraday (BiNaS tabel 7a).
De totale hoeveelheid lading opgeslagen in de Li-ion batterij, ook wel
de ladingscapaciteit genoemd, is gelijk aan het product van
stroomsterkte (I) en tijd (t).
Met behulp van de eerste elektrolysewet van Faraday kun je het
aantal elektronen uitrekenen die tijdens het ontladen vrijkomen uit
de accu. Dit aantal is gelijk aan het aantal lithiumionen dat zich
verplaatst en ook aan het aantal elementen kobalt in de
kobalt(IV)oxide-elektrode.
8. Deel de ladingscapaciteit (W·hr) door het voltage van de
batterij. Dit geeft de ladingscapaciteit in de eenheid A·hr
(ampère maal uur). Zet vervolgens deze ladingscapaciteit om
in de eenheid A·s (ampère maal seconde).
9. Bereken de minimale massa van het element kobalt dat
aanwezig is in een Li-ion batterij, met behulp van het
antwoord van vraag 8 en de 1ste elektrolyse wet van Faraday.
2
4. Recycling
Na een tijd intensief gebruik, dus na vele malen opladen en ontladen,
wordt de ladingscapaciteit van de batterij minder. Dit komt
bijvoorbeeld doordat er lithiumionen vast komen te zitten in het
kristalrooster van grafiet.
10. Geef één reden waarom de lithiumionen, die vastzitten in het
kristalrooster van grafiet, ervoor zorgen dat de capaciteit van
de batterij minder wordt.
Figuur 4: Kobaltrecycling uit accu’s
en batterijen: een duurzame vorm
van materiaalgebruik!
Op een gegeven moment is de capaciteit van de batterij dusdanig
afgenomen, dat het niet meer praktisch is om de telefoon te
gebruiken. De batterij moet dan vervangen worden. De oude batterij
wordt dan gerecycled: in de batterij zitten namelijk waardevolle
overgangsmetalen, zoals kobalt. Bij het Belgische bedrijf Umicore
worden oude accu’s van mobiele telefoons verwerkt om kobalt eruit
te halen. We gaan hieronder berekenen hoe waardevol je accu van je
telefoon eigenlijk is.
11. Zoek op de site van de London Metal Exchange op wat de
huidige kobaltprijs (cash buyer) is.
12. Zoek uit wat de wisselkoers € per $ is.
13. Reken de kobaltprijs om naar €/g.
14. Een nieuwe iPhone 5 kost €600,-. Bereken aan de hand van je
antwoord in vraag 8 en vraag 11 hoeveel accu’s van mobiele
telefoons je nodig hebt om een nieuwe iPhone 5 te kunnen
kopen.
3
5. Leerdoelen, aansluiting en eindtermen
Leerdoelen
Na het doorwerken van deze lesbrief moet de leerling kunnen uitleggen welke chemische reacties
verantwoordelijk zijn voor het laden en het ontladen van de batterij in een mobiele telefoon en aangeven
welke metalen belangrijk zijn bij deze reacties. De leerling kan de ladingscapaciteit van de batterij
interpreteren en uitleggen waarom deze minder wordt in de tijd. Daarnaast kan de leerling uitleggen hoe
een telefoonaccu gerecycled kan worden.
Aansluiting
De lesbrief, bedoeld voor havo 5 sluit onder andere aan bij het onderwerp redoxreacties en batterijen. De
stof kan gebruikt worden als een verdieping van de beide onderwerpen, aangezien er een aantal
chemische begrippen in voorkomen (elektrolysecel, bronspanning, oxidator, reductor, enzovoorts) die
bekend worden verondersteld. Als de leerlingen de begrippen beheersen, kan de lesbrief ook worden
gebruikt in het kader van metalen/stoffen en hun eigenschappen.
Eindtermen (havo)
Subdomein C1:
Subdomein F1:
Subdomein F3:
Chemische processen
Industriële processen
Energieomzettingen
- Specificatie 7. Redoxreactie
- Specificatie 4. Recycling
- Specificatie 5. Batterij
6. Uitwerkingen opgaven
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Exotherm proces. Je kunt voelen dat de batterij warm wordt tijdens het opladen.
Het opladen van een accu kan beschouwd worden als een gedwongen Redox-reactie, dus een
electrolyse.
Lithiumcobalt(IV)oxide.
Groep 1, alkalimetalen. Heftige reacties de elementen zeer graag een electron willen afstaan.
Voorbeeld is reactie met water.
Voorkomen dat het lithium in de batterij reageert met stoffen in de omgeving.
Negatieve elektrode  reductor.
LiCoO2  CoO2 + Li+ + e- (halfreactie 1)
C + Li+ + e-  LiC
(halfreactie 2)
LiCoO2 + C  CoO2 + LiC (totaalreactie)
5.25 Whr / 3.7 V = 1.41 Ahr = 5108 As
n = 5108 As / 96485 (As / mol) = 0,053 mol Co
m = 0,053 mol * 58,933 g/mol = 3,12 g Co
Deze lithiumionen kunnen niet meer meedoen in de halfreacties zoals beschreven in vraag 7. De
ladingscapaciteit van de batterij neemt daardoor af.
Prijs cobalt: 28000 $/ton. (d.d. 28-5-2013)
1 dollar = 0,772857 euro. (d.d. 28-5-2013)
Prijs cobalt: 0,0216 €/g
Co prijs: 0,0216€/g, prijs iPhone = € 600
Aantal batterijen = 600 / (0,0216 * 3,12) = 8903,23 ~ 8904 batterijen
Deze lesbrief is samengesteld door D.J. Robeerst & J.M. Besselink in samenwerking met dr. E.M Kelder (TU
Delft), die onderzoek verricht naar Li-ion batterijen.
http://www.tnw.tudelft.nl/en/about-faculty/departments/radiation-sciencetechnology/research/research-groups/fundamental-aspects-of-materials-and-energy/researchprojects/lithium-ion-batteries/
4

Download Report