Wiederaufladbare Batterien

Anodenmaterialien

07.Januar.2014Louisa Bohn

Was ist eine Anode?

https://www.tvt.kit.edu/21_984.php [letzter Stand : 5.1.14]

Was ist eine Anode?

• Oxidationsprozesse an der Anode

• Anode = Reduktionsmittel

Was ist eine Anode?

https://www.tvt.kit.edu/21_984.php [letzter Stand : 5.1.14]

Anode

Standardmaterial - Graphit

Riedel-Janik

Interkalation

Reversible Einlagerung von Molekülen/Ionen in chemische Verbindungen

Keine Änderung der Wirt-Struktur

http://de.wikipedia.org/wiki/Interkalation_%28Chemie%29 [letzter Stand: 4.1.14]

Interkalation

Lithium-Ionen Akku:

Einlagerung eines „Elektonendonators“ Elektronen werden über den äußeren Stromkreis geliefert

Probleme/Anforderungen an Anodenmaterialien

• Kapazität• Mechanische Stabilität• Chemische Stabilität • Kinetik

Kapazität

Kapazität :

Zahl der beim Entladen freigesetzten Elektronen pro Masse –bzw. Volumeneinheit .

Erhöhung der Kapazität:

Mehr Ladungsträger pro Masse/VolumenMehr Li-Ionen Interkalation Forderung an Wirtstruktur: Masse und Dichte gering, aber

hohe Li-Ionen Einlagerung möglich

Kapazität - Graphit

Interkalation von Li in Graphit: LixCn

Maximale Interkalation:

LiC6 mit x = 1 und n =6

Theoretische Kapazität:

372 mAh/gKapazität ist begrenztKeine Erhöhung der Li-Ionen-Interkalation möglich

Kapazität – Silicium

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_5/vlu/atomkristalle.vlu.html [letzter Stand: 6.1.14]

Diamantstruktur

Zink-Blende Typ Kubisch flächenzentriert ½ aller Tetraederlücken besetzt

Maximale Interkalation:Li15Si4

Theoretische Kapazität:4200 mAh/g

Mechanische Stabilität – Silicium

Große Volumenänderung bei Lade- und Entladevorgang (300%)

Ausdehnung beschädigt die Silicium-Elektrode stark

Zerstörung der Anode

großer Kapazitätsverlust

Mechanische Stabilität –Silicium

Lösungsansatz: Silicium-Nanodraht

Feld aus Si-Nanodrähten

Keine Gegenseitige Zerstörung der Drähte durch Ausdehnung

Chemische Stabilität – metallisches Lithium

• geringen Größe und Gewicht

• stark negativen Elektrodenpotential

• Theoretische Kapazität: 3860 mAh/g

• Bildung eines Schutzfilms zwischen Elektrolyt und Elektrode

Chemische Stabilität - SEI

K.Möller, M.Winter, Skript zum Anorganischen Praktikum – TU Gratz, 2005

SEI – „solid electrolyt interphase “

Bildung einer Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Elektrodenoberfläche

Nur für Li-Ionen durchlässig

Auch bei Li+-Interkalationsverbindungen

Chemische Stabilität

H.Kim, G.Jeong, Y.Kim, J.Kim, C.Parke, H.Sohn Chem. Soc. Rev., 2013,42, 9011

Probleme:

Bildung eines hochreaktiven Dendriten-Schwammes

„Durchwachsen“ der Dendriten zur Kathode Kurzschluss

Kinetik

Material Elektrische Leitfähigkeit [S/m]

Graphit 1 · 10-2

LiC6 1 · 105

Silicium 1 · 103

Lithium 1 · 107

Literatur• Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102. Auflage)

Berlin: de Gruyter, 2007• H.Kim, G.Jeong, Y.Kim, J.Kim, C.Parke, H.Sohn Chem. Soc. Rev., 2013,42,

9011• M.V.Reddy, G.V.Subba Rao, B.V.R.Chowdari, Chem. Rev., 2013, 113,

5364−5457• K.Möller, M.Winter, Skript zum Anorganischen Praktikum – TU Gratz,

2005• http://www.ac.uni-kiel.de/bensch/forschungsgebiete/

interkalationschemie [letzter Stand: 6.1.14]• http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Leitfähigkeit [letzter Stand:

5.1.14]• Riedel: Moderne Anorganische Chemie (3.Auflage) Berlin: de Gruyter,

2007