Bei zahlreichen Technologien für Batterien und Energiespeicher wird viel Augenmerk auf die hierarchische Struktur der Elektroden gelegt, damit sie die Bewegung der Metallionen (in der Regel Lithium) in und aus den Elektroden effizient unterstützen können – der Mechanismus, durch den sich die Elektroden auf- und entladen. Ein Bereich, der jedoch nicht so viel Aufmerksamkeit erfährt wie die Materialien, aus denen die Elektroden bestehen, sind die Beschichtungen, die zur Verbesserung von Leistung und Stabilität häufig auf die Elektroden aufgebracht werden. Diese Beschichtungen werden auch für Elektroden in verschiedenen Verarbeitungsprozessen und Industrieanlagen verwendet.

Die Beschichtung einer Elektrode ist nicht immer notwendig, kann aber bestimmte Vorteile mit sich bringen. Aufgrund dieser Vorteile werden Zeit und Geld in die Beschichtung von Elektroden investiert, denn die erforderlichen Beschichtungsprozesse können mitunter komplex und kostspielig sein, insbesondere bei modernen Beschichtungsmethoden.

Die beiden zentralen Treiber für die Herstellung neuer Elektrodenarten sind Leistungs-/Effizienzsteigerungen und Verbesserungen bei der Sicherheit. Meist wird versucht, diese Verbesserungen mit neuen Materialien zu erzielen. Die Beschichtung der Elektroden bietet den Elektrodenherstellern hingegen weitere Möglichkeiten, um vorhandene (und oft preiswertere) und bewährte Materialien weiter zu verwenden. Wie bereits erwähnt, können diese Beschichtungen kostspielig sein, wenn sie von anderen Herstellern bezogen werden. Dies ist insbesondere bei Beschichtungen auf atomarer Ebene der Fall, da viele Ansätze auf individuelle Anforderungen ausgerichtet sind.

In Bezug auf die Leistungsvorteile weisen beschichtete Elektroden bekanntermaßen eine wesentlich längere Lebensdauer auf als unbeschichtete Elektroden – sie können die Batteriekapazität verdoppeln, die Ladegeschwindigkeit der Elektrode erhöhen und die Elektrodenspannung steigern, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Zudem kann eine Beschichtung die Bildung einer Festelektrolyt-Zwischenschicht (SEI) in den Batterien verhindern oder diese Schicht zumindest reduzieren, wodurch verhindert wird, dass die Leistung der Elektroden (und der Host-Technologie) im Laufe der Zeit abnimmt. Darüber hinaus können spezielle Beschichtungen aufgebracht werden, die die Sauerstoff- (OER) oder Chlorevolutionsreaktionen (CER) der Elektroden verbessern. Da es sich um spezifische Beschichtungen handelt, können verschiedene branchenübliche Materialien verwendet werden, um die gewünschte(n) Wirkung(en) zu erzielen.

Aus sicherheitstechnischer Sicht können Beschichtungen die Lichtbogenstabilität der Elektrode verbessern, indem sie den Lichtbogenweg ionisieren, Überspannungen und schnelle Zyklusraten verhindern, eine schützende Oberfläche gegen verschiedene gasförmige und flüssige Verunreinigungen bieten, die die Elektrode beschädigen könnten (was die Elektrode robuster macht). Und sie können dazu beitragen, die Konzentration potenziell gefährlicher Gase zu verringern, da viele dieser Gase tatsächlich in der Kathode gebildet werden. Größere Elektroden werden oftmals in anspruchsvollen Prozessumgebungen eingesetzt. Hier bieten Beschichtungen eine Möglichkeit, die Elektrode vor einer Reihe von Prozessbedingungen (einschließlich geschmolzener Schlacke und Metall) zu schützen. Im Ergebnis führt dies zu einer wesentlich stabileren Umgebung, in der die Elektroden unabhängig von der Anwendung arbeiten können.

Für diese Beschichtungen können verschiedene Materialien verwendet werden, die je nach den individuellen Anforderungen in unterschiedlichen Dicken aufgebracht werden können. Dies wird häufig durch mehrfaches Beschichten der Elektroden erreicht. Der Dicke der Beschichtung sind allerdings Grenzen gesetzt: Das Gewicht der Beschichtung darf maximal 30 Prozent des Gewichts der Elektrode betragen. Dies entspricht im Allgemeinen einer maximalen Dicke von 3 mm für große Elektroden. Zu den Materialien, die am häufigsten verwendet werden, gehören Metalle und Metalloxide, Komplexe aus Übergangsmetallen, mineralische Verbindungen und stabile organische Materialien (wie Zellulose). Für die Herstellung einer Beschichtung werden in vielen Fällen mehrere dieser verschiedenen Bestandteile benötigt, um die Leistung und die Sicherheit zu erhöhen. Dabei werden viele Beschichtungen durch Bindemittel zusammengehalten, die mit den Metallen in der Beschichtung Komplexe bilden.

In den letzten Jahren haben Fortschritte bei den Abschneidungsmethoden im Nanomaßstab, wie etwa der Atomlagenabscheidung (ALD), die Abscheidung ultradünner Schichten auf der Oberfläche von Elektroden möglich gemacht – sei es mit spezifischen Nanomaterialien oder durch die Herstellung von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung in Nanogröße. Viele Nanomaterialien zeichnen sich durch eine hervorragende elektronische Leitfähigkeit und Ladungsbeweglichkeit aus. Und sie sind stabil gegenüber vielen aggressiven Chemikalien, hohen Temperaturen und Drücken sowie verschiedenen mechanischen Verformungen. Die Dünnheit dieser Filme verhindert zudem, dass sie an der Außenseite der Elektrode schwerfällig werden, was die Ionenbewegung in manchen Fällen beeinträchtigt. Einer der Hauptvorteile gegenüber anderen Arten von Elektrodenbeschichtungen besteht darin, dass nicht mehrere Bestandteile miteinander verbunden werden müssen. Die Funktionsweise der Nanoabscheidungsmethoden besteht darin, dass die spezifischen Elemente in der Beschichtung passgenau abgestimmt werden können, um eine chemisch spezifische Beschichtung zu erzeugen, die einen bestimmten Vorteil bietet, ohne dass dafür mehrere Einzelbestandteile in der Beschichtung erforderlich sind. Diese Methode ist sehr viel zielgerichteter und besser abstimmbar, weshalb sie im Vergleich zu anderen Elektrodenbeschichtungsmethoden auf großes Interesse stößt. Allerdings sind damit in der Regel auch höhere Kosten verbunden, sodass sie sich eher für kleinere Elektroden eignet, während andere Beschichtungsmethoden in der Regel bei großen Elektroden zur Anwendung kommen.

Fazit

In der Regel werden Fortschritte in Bezug auf Leistung und Sicherheit von Elektroden mit den verwendeten Materialien in Verbindung gebracht. Fortschritte können jedoch auch durch die Beschichtung dieser Elektroden unter Verwendung bewährter Materialien erzielt werden. Für diese Beschichtungen können viele verschiedene Materialien verwendet werden, und in vielen Fällen sind dafür auch mehrere Bestandteile erforderlich. Ein Bereich, in dem nicht mehrere Bestandteile erforderlich sind, sind Beschichtungen aus Nanomaterialien/ultradünnen Schichten (Nanobeschichtungen), die relativ neu sind und durch Fortschritte in der Nanofabrikation erzielt wurden. Sie stellten trotz höheren Kosten eine wachsende Klasse von Elektrodenbeschichtungen dar.