Mit Hilfe von Bauklötzchenspielen wie Jenga kann Schulkindern die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien erklärt werden. Damit wird einem pädagogischen Bedürfnis entsprochen, eine Energiequelle besser zu verstehen, die für das tägliche Leben unerlässlich geworden ist.
Obwohl Lithium-Ionen-Batterien in vielen unserer elektronischen Geräte - von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen - zu finden sind, gibt es nur wenige Ressourcen, um Kindern beizubringen, wie sie funktionieren und warum sie wichtig sind.
Ein Team an der School of Chemistry der Universität Birmingham hat ein Lehrmittel entwickelt, das das Bauklotzspiel Jenga verwendet, um die Vorgänge im Inneren von Batteriezellen und die dahinter stehende Elektrochemie zu erklären. Ihre Methode wurde im Journal of Chemical Education veröffentlicht.
Die Bausteine der Batterietechnologie: Verwendung modifizierter Baukastenspiele zur Erklärung und zum besseren Verständnis von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien.
Eine wiederaufladbare Li-Ionen-Batterie besteht aus einer Oxid- und einer Graphitelektrode. Diese sind in der Regel in Schichten aufgebaut, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Wenn der Akku geladen wird, wandern die Lithiumionen über den Elektrolyten von der Graphitelektrode zur Oxidelektrode. Über Stromkollektoren, mit denen die Elektroden beschichtet sind, können sich die Elektronen über einen externen Stromkreis bewegen und so Strom erzeugen.
Durch die Verwendung der Schichten von Blöcken können Kinder ein Gefühl dafür bekommen, wie die Batterie aufgebaut ist und wie die verschiedenen Komponenten miteinander interagieren. Das Batterie-Jenga kann die Funktionsweise und die wichtigsten Eigenschaften einer Batterie veranschaulichen. Die Interkalations- oder Schichtchemie beim Laden und Entladen dieses Batterietyps lässt sich leicht veranschaulichen. Durch das Entfernen einiger leerer Blöcke in der Graphitelektrode (diese Blöcke stellen den leeren Raum zwischen den Graphitschichten dar) kann ein Schüler die Li-Ionen-Blöcke von der Oxidelektrode zur Graphitelektrode verschieben. Der umgekehrte Prozess findet bei der Entladung statt.
Die Einfachheit dieser Demonstration bietet eine Grundlage für die Erklärung komplexer Chemie und Redoxreaktionen. Die Bedeutung und Sicherheit der Ladegeschwindigkeit für verschiedene Anwendungen kann auch gezeigt werden, wenn die Schüler die Lithium-Ionen-Blöcke mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten von den Oxidelektroden entfernen. Die schnellere Aufladung führt unweigerlich zum Zusammenbruch der Jenga-Struktur.
Das Turmklotzspiel kann auch zeigen, wie die Leistung der Batterie bei fortgesetzter Nutzung abnimmt, indem es zeigt, wie sich die Klötze beim Herausnehmen und Wiedereinsetzen der Lithiumblöcke leicht verschieben.
Die Forscherin Elizabeth Driscoll erklärt: "Hands-on-Demonstrationen sind bekanntermaßen eine nützliche Methode zur Unterstützung des Lernens - Lehrer verwenden beispielsweise häufig Zitronen oder Kartoffeln, um herkömmliche nicht wiederaufladbare Batterien zu erklären. Wir wissen jedoch, dass die Elektrochemie ein schwieriges Gebiet für Lehrer ist, was oft zu Missverständnissen bei den Schülern führt. Wir wollten eine praktische Aktivität entwerfen, die dazu beiträgt, dieses Problem zu lösen und diesen wiederaufladbaren Typ zu erklären.
Durch die Einführung von Bauklotzsets mit stark kontrastierenden Farben und unterschiedlichen Texturen konnte das Team auch Lehrmittel entwickeln, die für blinde oder sehbehinderte Schüler besser geeignet sind.
Die Aktivitäten wurden im vergangenen Jahr in mehreren Schulen erprobt, u. a. im Rahmen der "Top of the Bench"-Demonstrationsvorlesung der Royal Society of Chemistry, und fanden sowohl bei Lehrern als auch bei Schülern positive Resonanz. Die Sets waren auch bei öffentlichen Veranstaltungen in Museen zu sehen, vom Thinktank Science Museum in Birmingham bis zum Manchester Science Museum und der Royal Institution in London.
Der nächste Schritt für das Team wird darin bestehen, die Aktivität einer größeren Zahl von Schülern zugänglich zu machen und Pädagogen bei diesen Themen zu unterstützen. Dank der Finanzierung durch die Faraday Institution und die Royal Society of Chemistry konnten bereits 100 kleine Jenga-Sets an eine Sekundarschule in Birmingham geliefert werden.
Taktile Klassenzimmer-Sets werden auch dem New College Worcester und dem Bolton Sensory Support Service zur Verfügung gestellt. Pädagogen, die an der Herstellung eigener Sets interessiert sind, können die vollständige Anleitung in der frei zugänglichen Publikation im Journal of Chemical Education einsehen.
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Dieser Artikel wurde ursprünglich von der University of Birmingham veröffentlicht.
Der Titel und der Inhalt wurden möglicherweise aus stilistischen und inhaltlichen Gründen bearbeitet.
HPQ Silicon ist ein in Quebec ansässiger Tier-1-Industrieemittent der TSX Venture Exchange. Mit der Unterstützung der erstklassigen Technologiepartner PyroGenesis Canada und NOVACIUM SAS entwickelt das Unternehmen neue umweltfreundliche Verfahren, die für die Herstellung der entscheidenden Materialien, die zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen erforderlich sind, entscheidend sind.
