18.06.2020 - University of Birmingham

Verwendung eines Geschicklichkeitsspiels zur Erklärung von Lithium-Ionen-Batterien

Modifizierte Wackelturm-Spielsätze zur Erklärung von wiederaufladbaren Batterien und der dahinter stehenden Elektrochemie

Turmbauspiele können dazu verwendet werden, Schulkindern zu erklären, wie Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, und entsprechen damit einem pädagogischen Bedürfnis, eine Energiequelle besser zu verstehen, die für das tägliche Leben lebenswichtig geworden ist.

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien in so vielen unserer elektronischen Geräte, von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen, reichlich vorhanden sind, sind die Ressourcen, die zur Verfügung stehen, um Kindern beizubringen, wie sie funktionieren und warum sie wichtig sind, begrenzt.

Ein Team an der School of Chemistry der Universität Birmingham hat ein pädagogisches Lehrmittel entwickelt, das ein Turmbauspiel verwendet, um die Vorgänge im Inneren der Batteriezellen und die dahinter stehende Elektrochemie zu erklären.

Eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Oxid- und einer Graphitelektrode. Diese sind üblicherweise in Schichten aufgebaut, die mit einem Elektrolyten getrennt sind. Wenn die Batterie geladen wird, wandern Lithium-Ionen über den Elektrolyten von der Graphit- zur Oxid-Elektrode. Stromkollektoren, auf denen die Elektroden beschichtet sind, ermöglichen es den Elektronen, sich über einen externen Stromkreis zu bewegen und so Strom zu liefern.

Durch die Verwendung der Blockschichten können die Kinder ein Gefühl dafür bekommen, wie die Batterie aufgebaut ist und wie die verschiedenen Komponenten miteinander interagieren. Der Batterie Wackelturm kann den Batteriebetrieb und die wichtigsten Eigenschaften zeigen. Die Interkalation oder Schicht-Chemie des Ladens und Entladens dieser Art von Batterie kann leicht visualisiert werden. Durch Entfernen einiger leerer Blöcke in der Graphitelektrode (diese Blöcke stellen leeren Raum zwischen den Graphitschichten dar) kann ein Schüler die Li-Ionen-Blöcke von der Oxid-Elektrode zur Graphit-Elektrode bewegen. Der umgekehrte Prozess findet bei der Entladung statt.

Die Einfachheit dieser Demonstration bietet eine Grundlage, um komplexe Chemie und Redoxreaktionen zu erklären. Die Bedeutung und Sicherheit der Ladungsrate für verschiedene Anwendungen kann auch gezeigt werden, wenn die Schülerinnen und Schüler die Lithium-Ionen-Blöcke mit unterschiedlicher Geschwindigkeit von den Oxid-Elektroden entfernen. Die schnellere Ladung führt unweigerlich zum Kollabieren der Wackelturm-Struktur.

Das Turmblockspiel kann auch demonstrieren, wie die Leistung der Batterie bei fortgesetztem Gebrauch abnimmt, indem gezeigt wird, wie die Blöcke leicht verschoben werden, wenn die Lithiumblöcke entfernt und wieder eingesetzt werden.

Die Forscherin Elizabeth Driscoll erklärt dies: "Hands-on-Demonstrationen sind bekanntermaßen ein nützliches Mittel zur Unterstützung des Lernens - Lehrerinnen und Lehrer verwenden oft Zitronen oder Kartoffeln, um z.B. herkömmliche nicht wiederaufladbare Batterien zu erklären. Aber wir wissen, dass die Elektrochemie ein heikles Gebiet für Lehrer ist, was oft zu Missverständnissen bei den Schülern führt. Wir wollten eine praktische Aktivität entwerfen, die dazu beiträgt, dies anzusprechen und diesen wiederaufladbaren Typ zu erklären".

Durch die Einführung von Turmbau-Sets mit stark kontrastierenden Farben und unterschiedlichen Texturen war das Team auch in der Lage, Lehrmittel zu entwickeln, die für blinde oder sehbehinderte Schülerinnen und Schüler integrativer sind.

Die Aktivitäten wurden im vergangenen Jahr mit mehreren Gastschulen erprobt, u.a. mit dem Demonstrationsvortrag "Top of the Bench" der Royal Society of Chemistry, mit positivem Feedback sowohl von Lehrern als auch von Schülern. Die Sets wurden auch bei öffentlichen Veranstaltungen in Museen gezeigt, vom ThinkTank Wissenschaftsmuseum in Birmingham bis zum Manchester Science Museum und der Royal Institution in London.

Der nächste Schritt für das Team wird darin bestehen, die Aktivität für mehr Schülerinnen und Schüler 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 Wackelturm-Sets an eine Sekundarschule in Birmingham geliefert werden. Taktile Klassenzimmersets werden auch dem New College Worcester und dem Bolton Sensory Support Service zur Verfügung gestellt. Pädagogen, die daran interessiert sind, ihre eigenen Sets herzustellen, können die vollständigen Anweisungen über das Open Access Paper im Journal of Chemical Education abrufen.

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