Heutzutage kommen viele verschiedene Arten von Akkus zum Einsatz, wobei der Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion) am bekanntesten ist. Der Lithium-Ionen-Akku ist in der Welt der Technologie allgegenwärtig, und seine Entdeckung war von zentraler Bedeutung für die Verwirklichung vieler anderer Technologien wie Handhelds, Laptops usw. Die Bedeutung von Lithium-Ionen-Akkus für Technologien wurde auch dadurch gewürdigt, dass der Nobelpreis für Chemie 2019 an die Wissenschaftler verliehen wurde, die Lithium-Ionen-Akkus entwickelt haben. Obwohl die Bedeutung von Lithium-Ionen-Akkus in der modernen Technologie nicht zu unterschätzen ist, sind sie eigentlich nur eine von vielen Akkuarten, die zur Klasse der Metall-Ionen-Akkus gehören. Ihre Verwendung ist jedoch weiter verbreitet, weil sie effizienter und sicherer sind. Hinter all diesen innovativen Akkus steckt eine ganze Menge Chemie – Materialchemie und Elektrochemie –, die das Funktionieren dieser Akkus erst ermöglicht.

Die verschiedenen Grundchemien der Zellen

Alle Metall-Ionen-Batterien sind Akkus. Wenn es um die Chemie von Metall-Ionen-Akkus geht, ist eine Menge Materialchemie an ihrer Herstellung beteiligt. Jeder Metall-Ionen-Akku besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Elektrolyt, einer Trennmembran und einem externen elektronischen Schaltkreis. Bei der Betrachtung von Metall-Ionen-Akkus fallen einem in erster Linie vier Beispiele ein. Das offensichtlichste Beispiel ist der Li-Ionen-Akku, aber auch der Aluminium-Ionen-Akku (Al-Ion), der Natrium-Ionen-Akku (Na-Ion) und der Lithium-Ionen-Polymer-Akku (LiPo). Diese vier Akkus unterscheiden sich hauptsächlich in der Zusammensetzung der Elektroden, des Elektrolyten und der Ionen, die die aktiven Ladungsträger sind.

Lithium-Ionen-Akkus haben häufig eine Kathode auf Lithiumbasis, die aus einem Lithiumoxid, einem Schichtoxid aus Lithium oder einem Polyanionmaterial bestehen kann. Die Anode besteht aus Kohlenstoff, wobei die Materialien hier sehr unterschiedlich sein können. Seit Langem wird Graphit verwendet, aber in jüngster Zeit werden auch Graphen und Graphen-Graphit-Hybridelektroden sowie verschiedene andere Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe als Anodenmaterialien eingesetzt. Der Elektrolyt ist eine Flüssigkeit und ein Lithiumsalz, das Lithium-Ionen transportieren kann. Der Elektrolyt ist ein komplexes Gemisch aus verschiedenen organischen und nichtwässrigen Bestandteilen, wie Ethylen- (oder Diethylen-) Carbonat mit den Anionensalzen LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiBF4 oder LiCF3SO3. Lithium-Ionen-Akkus sind am effektivsten, weil die Lithium-Ionen in die Elektroden eindringen, elektrochemische Reaktionen durchlaufen und die Elektrode leicht wieder verlassen können. Dies macht die Lade- und Entladezyklen des Akkus effizienter.

Die Zusammensetzung von Natrium-Ionen-Akkus ist nicht weit von der von Lithium-Ionen-Akkus entfernt, da beide aktiven Ionen eine einzige positive Ladung haben. In Natrium-Ionen-Akkus sind Natrium-Ionen die Ladungsträger, die Kathoden sind Verbundwerkstoffe aus Natrium-Übergangsmetalloxiden, und die Anoden bestehen in der Regel aus amorphem Kohlenstoff. Die Elektrolyte können entweder wässrig oder nicht wässrig sein, aber die Natriumäquivalente der nicht wässrigen Anionensalzelektrolyte, die in Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden, sind am weitesten verbreitet, wobei NaPF6 am häufigsten eingesetzt wird.

Aluminium-Ionen-Akkus sind noch nicht so weit verbreitet, aber sehr vielversprechend. Sie werden vor allem deshalb so intensiv erforscht, weil Aluminium drei Ladungen trägt, Lithium dagegen nur eine, was bedeutet, dass Aluminium viel größere Energiemengen speichern kann. Aber die große effektive Ladung der Aluminium-Ionen erschwert es ihnen, die Elektroden zu verlassen, sobald sie elektrochemische Reaktionen durchlaufen haben, weshalb sie bisher noch nicht kommerziell genutzt werden. Aluminiumbasierte Materialien und Graphit bilden in der Regel die Anode bzw. die Kathode, wobei der Elektrolyt eine Flüssigkeit aus Aluminiumchlorid ist, aber alle diese grundlegenden Bereiche befinden sich derzeit in der Entwicklung und könnten sich ändern, sobald neue Forschungsergebnisse zu effektiveren Materialien/chemischen Verbindungen führen.

Der Akku, der sich von den anderen unterscheidet, ist der Lithium-Ionen-Polymer-Akku, der eigentlich eine Variante des herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus ist. Beide Elektroden bestehen aus denselben Materialien wie Lithium-Ionen-Akkus, aber der Elektrolyt ist der Hauptunterschied. Der Elektrolyt besteht nicht aus einer nicht wässrigen Flüssigkeit, sondern aus einem Polymer mit einer gelartigen (halbfesten) Konsistenz, die aber immer noch flüssig genug ist, um Lithium-Ionen zu transportieren. Die meisten der in LiPo-Akkus verwendeten Elektrolyte bestehen aus festen Polymeren wie Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(acrylnitril) (PAN), Poly(methylmethacrylat) (PMMA) oder Poly(vinylidenfluorid) (PVdF), die in einem organischen Lösungsmittel dispergiert wurden, um ihnen die erforderliche gelartige Konsistenz zu verleihen.

Funktionsweise von Metall-Ionen-Akkus

Wir haben die Materialien besprochen, aus denen die Elektroden bestehen, und die Materialien, die als Elektrolyt verwendet werden. Der grundlegende Funktionsmechanismus ist bei den meisten Metall-Ionen-Akkus derselbe, daher ist es einfacher, ein Beispiel zu verwenden, als die Funktionsprinzipien aller Akkus zu erörtern. Der Lithium-Ionen-Akku ist das beste Beispiel, aber auch bei den Aluminium-Ionen- und Natrium-Ionen-Akkus sind die Prinzipien dieselben, wenn man die Li-Ionen durch Al- bzw. Na-Ionen ersetzt. Dabei ist zu beachten, dass die spezifischen elektrochemischen Reaktionen, die an der Anode und der Kathode ablaufen, bei allen Akkus unterschiedlich sind. Daher gibt es viel zu viele elektrochemische Reaktionen, um die verschiedenen Reaktionen im Detail zu erwähnen.

Ein Akku hat im Wesentlichen zwei Hauptmechanismen: Laden und Entladen. Bei der Ladung speichert der Akku Energie, und bei der Entladung gibt er diese wieder ab, z. B. wenn ein Gerät eingeschaltet ist. Beim Laden des Akkus verbinden sich Elektronen aus der Stromquelle, die den Akku auflädt, mit den Lithium-Ionen in der Kathode. Dadurch wandern die Ionen durch den Elektrolyten und den Separator zur Anode, wo sie über die molekularen Löcher im Anodenmaterial eindringen – ein Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. Die Energie wird dann in Form von gebundenen Elektronen in den Lithium-Ionen in der Anode gespeichert. Wenn das Gerät, in dem sich der Akku befindet, eingeschaltet wird, kommt es an der Anode zu einer Oxidationsreaktion, die bewirkt, dass die Lithiumionen die Anode verlassen und zur Kathode wandern (und sich dort einlagern). Die gespeicherten Elektronen werden dann freigesetzt und erzeugen einen elektrischen Strom, der das Gerät mit Energie versorgt. Wenn ein Akku nicht benutzt oder geladen wird, desorbieren die Lithium-Ionen in das Elektrolytmedium zwischen den Elektroden.

Zusammenfassung

Die meisten Metall-Ionen-Akkus haben eine ähnliche Funktionsweise, wobei der Hauptunterschied in der chemischen Zusammensetzung der Elektroden und des Elektrolyten besteht, die wiederum die elektrochemischen Reaktionen innerhalb des Akkus beeinflussen. Diese elektrochemischen Reaktionen können sich auch bei denselben Akkus mit unterschiedlichen Elektrolyten unterscheiden. Von den verschiedenen Metall-Ionen-Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus am effektivsten, weil sie sich leicht zwischen den Elektroden bewegen und die notwendigen elektrochemischen Reaktionen durchführen können, ohne in den molekularen Löchern der Elektroden stecken zu bleiben. Aluminium-Akkus sind sehr vielversprechend, aber die Probleme mit den ladungsschweren Ionen, die die Elektroden verlassen, müssen erst gelöst werden, bevor sie kommerziell genutzt werden können.