Wie Batteriematerialien die Effizienz von Batterien beeinflussen können

Die chemische Zusammensetzung einer Batterie kann sehr heikel sein. Die aktiven Materialien innerhalb der Zelle arbeiten bei der Energiefreisetzung zusammen, und die Wahl der Materialien kann die Effizienz der Batterie bestimmen. Es können jedoch auch unerwünschte chemische Reaktionen auftreten, die die Sicherheit und Langlebigkeit der Zelle beeinträchtigen. Unterschiedliche Materialien können zu unerwünschten Ergebnissen wie Dendritenbildung, Kurzschlüssen und thermischem Durchgehen führen, und je nach Materialkombination kann der Abbau der Elektroden vermieden oder erleichtert werden.

Die Batterie besteht aus mehreren Teilen; die wichtigsten aktiven Materialien sind die Anode, die Kathode und der Elektrolyt. Ein Großteil der Forschung an Batteriematerialien konzentriert sich auf die Prüfung von Materialien für diese Komponenten. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, sowohl allein als auch in Kombination mit anderen Materialien. In diesem Artikel stellen wir einige Materialien vor, die für die drei wichtigsten aktiven Materialien verwendet werden oder an denen geforscht wird.

Die Anode

Die Anode der Batterie ist die negative Elektrode, die Ionen an die Kathode abgibt, um die elektrische Ladung zu erzeugen. In einer wiederaufladbaren Batterie wird die Anode während des Ladevorgangs zum positiven Pol, der Ionen sammelt und speichert, um sie bei Bedarf freizugeben.

Die ideale Anode hat eine hohe Speicherkapazität und kann diese über einen längeren Zeitraum beibehalten. Es hat sich gezeigt, dass Metallelektroden die höchste Anzahl von Ionen transportieren können. Theoretisch ist also reines Metall das effizienteste Anodenmaterial, da es eine hohe Energiekapazität bietet. Allerdings können sie auch sehr reaktiv sein, was ihre Verarbeitung erschwert. Lithiummetall ist ein solches Beispiel. Eines der Probleme bei Lithiummetall ist die Dendritenbildung, ein Prozess, bei dem sich das Lithium ungleichmäßig auf der Oberfläche der Anode verteilt und verzweigungsartige Strukturen bildet, die den Separator durchdringen und einen Kurzschluss in der Batterie verursachen können.

Magnesium ist ein weiteres Metall mit einer großen theoretischen Kapazität, aber es kann schwierig sein, damit zu arbeiten. Magnesiummetall reagiert mit dem Elektrolyten, wodurch sich der Elektrolyt spontan zersetzt und eine Schicht aus fester Elektrolytinterphase (SEI) bildet. Dies kann auch bei anderen Batteriezusammensetzungen vorkommen, aber bei Magnesium ist diese Schicht ionisch isolierend, was bedeutet, dass die Anode keine Ionen mehr abgeben oder aufnehmen kann, was die Zelle im Grunde unbrauchbar macht. In dieser Situation wäre eine Anoden-Elektrolyt-Kombination, die nicht so empfindlich ist, praktischer.

Graphit gilt als günstige Wahl für eine Anode, da es reichlich vorhanden und von Natur aus leitfähig ist und das Problem der Dendritenbildung nicht auftritt. Es ist derzeit ein gängiges Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, hat sich aber in Verbindung mit Natrium- oder Magnesiumionen nicht so gut bewährt. A Studie hat erklärt, dass dies daran liegen könnte, dass sie die schwächste chemische Bindung zu einem bestimmten Substrat haben, was zu einer geringeren Energiekapazität führt. Dies zeigt, dass ein Material zwar in einem Fall gut funktionieren kann, in einem anderen aber möglicherweise nicht.

Die Kathode

Die Kathode funktioniert umgekehrt wie die Anode. Bei der Entladung ist sie die positive Elektrode, die die Ionen von der Anode aufnimmt, und bei der Aufladung ist sie der negative Pol.

Ähnlich wie die Anode sollte auch die ideale Kathode eine hohe Kapazität haben und in einer wiederaufladbaren Zelle in der Lage sein, den chemischen Prozess umzukehren, ohne die Batterie zu beeinträchtigen. 

Kobalt ist ein Material, das häufig als Kathode in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird; es bietet eine hohe Energiedichte, weshalb es gerne verwendet wird. Allerdings hat es einen begrenzter Temperaturbereich und es besteht die Gefahr des thermischen Durchgehens. Da es sich um ein Schwermetall handelt, gibt es auch zahlreiche Umweltprobleme bei der Batterieentsorgung. Unternehmen wie Tesla verlagern ihren Schwerpunkt auf die Entwicklung kobaltfreier Batterien.

Schwefel ist ein beliebtes Kathodenmaterial, da es reichlich vorhanden ist und ein hohes elektrochemisches Potenzial aufweist. Schwefel selbst hat eine geringe Leitfähigkeit und wird oft mit leitfähigen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren gemischt, um dieses Problem zu verbessern. Allerdings gibt es auch ein erhebliches Problem mit der Volumenausdehnung. A Studie stellte fest, dass die Schwefelkathode nach dem Zyklus 170% anstieg. Dies verursacht eine mechanische Belastung der Kathode, die zu Rissen in ihrer Struktur führen könnte, was die Batterieleistung stark beeinträchtigt.

Luft in Kombination mit verschiedenen Materialien wurde ebenfalls als Kathodenalternative erforscht. Dahinter steht die Idee, den Sauerstoff der Umgebungsluft für den chemischen Prozess zu nutzen. Wie Schwefel hat auch Luft eine hohe theoretische Kapazität. Je nachdem, mit welchem Material die Luft gepaart wird, ergeben sich unterschiedliche Nachteile für die Luft. In der Regel ist die Oberfläche des Substrats proportional zur tatsächlichen Kapazität der Zelle. Bei Lithium-Luft-Zellen hat sich jedoch herausgestellt, dass die Porengröße wichtiger ist, da kleinere Poren durch Lithiumoxidausscheidungen verstopft werden können, die sich während der chemischen Reaktion bilden können.

Der Elektrolyt

Als das Medium, durch das die Ionen zwischen Kathoden und Anoden wandern, ist der Elektrolyt ein wichtiger Bestandteil einer funktionierenden Batterie. Er sollte jedoch ein passiver Teil des chemischen Prozesses sein. Ein ideales Elektrolytmaterial sollte also leitend, aber nicht reaktiv sein. Da der Elektrolyt in direktem Kontakt mit den Elektroden steht, können unerwünschte chemische Reaktionen auftreten, die die Leistung der Batterie beeinträchtigen würden.

Organische Elektrolyte werden wegen ihres breiten elektrochemischen Fensters bevorzugt. Das bedeutet, dass sie über einen großen Spannungsbereich stabil bleiben können, ohne sich zu zersetzen.

Diese Elektrolyte bestehen in der Regel aus einem gelösten Metallsalz. Da diese Materialien jedoch organisch sind, unterliegen sie der Zersetzung. Die bei der Zersetzung entstehenden Produkte und Gase können giftig sein und die Integrität der Zelle beeinträchtigen.

Organische Elektrolyte sind auch dafür bekannt, dass sie entflammbar sind. Wässrige Elektrolyte gehen dieses Problem an. Eine Art, Wasser in Salzelektrolyten, hat ein breites elektrochemisches Fenster und eine höhere Leitfähigkeit als organische Elektrolyte. Dies könnte eine brauchbare Alternative für sicherere Batterien sein.

Feste Elektrolyte setzen sich langsam als möglicher Ersatz durch. Trotz ihrer theoretisch geringeren Leitfähigkeit bieten Festkörperbatterien Vorteile, darunter Sicherheit und die Unterdrückung der Dendritenbildung.  

Schlussfolgerung

Die Batteriematerialien sollten entsprechend der Anwendung der Batterie ausgewählt und optimiert werden. Verschiedene Kombinationen von Kathode, Anode und Elektrolyt können eine Eigenschaft der Batterie verbessern, aber eine andere beeinträchtigen. Eine Batterie, bei der die Energiekapazität optimiert ist, kann möglicherweise nur mit einer geringeren spezifischen Leistung betrieben werden, und in anderen Fällen kann dies auch umgekehrt sein. In anderen Fällen kann dies umgekehrt sein. So kann für einige Anwendungen, wie z. B. die Netzspeicherung, eine große Energiekapazität erforderlich sein, während für andere Anwendungen die Leistungsabgabe optimiert werden sollte. In vielen Fällen werden diese Rohstoffe verarbeitet, um das Auftreten unerwünschter chemischer Reaktionen oder Kapazitätsverluste zu verringern. Zum Beispiel werden Lithiumbatterien häufig vor der Lithiierung um den aktiven Lithiumgehalt auszugleichen, der beim Zyklus verloren geht. Graphit kann auch einem Fluorierungsprozess unterzogen werden, um seine Oberfläche und die Gesamtkapazität der Batterie zu erhöhen.

Die Forscher sind ständig auf der Suche nach der ultimativen Kombination von Batteriematerialien, um sichere, zuverlässige und langlebige Energiespeicherlösungen zu schaffen. 

Referenz: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590049819301201

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