Elektrode
(in Batterien)

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Elektroden (in Batterien)

Was ist eine Elektrode? - Erklärt von Wiki Battery auf Wikibattery.org

Was ist eine Elektrode?

Eine Elektrode ist ein elektrischer Leiter, der verwendet um zusammen mit einem nicht-elektrischen Leiter (Isolator) (z.B. Separator oder Elektrolyten) einen Stromkreis zu bilden. Das Wort Elektrode wurde von Michael Faraday aus zwei griechischen Wörtern geprägt: Elektron und Hodos (Weg). Es ist daher ein Stück Materie, dass Elektronen (elektrischen Strom) einen gewissen «Weg» weit transportiert.

Anwendungen für Elektroden

Elektroden werden häufig in elektrochemischen Zellen, also in Batterien, in der Galvanik, in Halbleitern wie Dioden (OLED oder LED), in Wasserstoffzellen, Elektrolysatoren, in der chemischen Analytik und in medizinischen Geräten verwendet.

Elektrodenmaterialien

Elektrodenmaterialien sind meisten metallischer Art. Jedoch können auch andere Materialien wie Polymere (z.B. Polypyrrol, PEDOT, Polyanilin), Metalloxid, z.B. (NMC, V2O3, ITO), Metall-Nitride (z.B. TiN) und Metall-Borverbindungen (TiB2) oder Kohlenstoffe wie Graphit, Graphen, Carbon black) oder Komposite eine Elektrode bilden.

Typische Elektrodenmaterialien in der Industrie sind Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Silicium, Platin, rostfreier Stahl (stainless steel, SS), Glaskohlenstoff (glassy carbon) und Indium-Zinnoxide (ITO). Zu beachten ist, dass die gut leitenden Metalle oft mit einer Metalloxidschicht belegt sind.

Elektroden in Batterien - erklärt vonWiki-Battery auf wikibattery.org

Elektroden in Batterien (Batterieelektrode)

Elektroden sind das Herzstück jeder Batterie; denn die Elektroden in Batterien sind mehr als nur Stromleiter. Elektroden in einer Batterie sind die Bauteile, in welcher die Energie effektiv gespeichert wird. Beim Laden und Entladen der Batterie laufen chemische Reaktionen in den Elektroden ab und wandeln elektrischen Strom in chemische Energie um. Dabei verändert sich die chemische Zusammensetzung der Batterie-Elektroden. 

In Lithium-Ionen-Batterien heisst dieser chemische Umwandlungsprozess Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen. Dabei wandern während des Batteriebetriebes Lithium-Ionen durch die Elektrolyten und den Separator in die Elektroden.

Die zwei Typen von Batterieelektroden: Die Kathode und die Anode

Die Elektroden in der Batteriezelle werden als Anode und Kathode bezeichnet.

Solche Batterieelektroden – Anoden und Kathoden finden sich in vielen gepolten elektrischen Bauteilen, wie Batterien, Solarzellen, Photovoltaik-Zellen, Elektrolysezellen, Leucht-Dioden (OLED, LED) und Brennstoffzellen.

Das Innenleben einer Batterie ist normalerweise in einem Metall- oder Kunststoffgehäuse untergebracht. Innerhalb dieses Gehäuses befinden sich eine Kathode, die mit dem Pluspol verbunden ist, und eine Anode, die mit dem Minuspol verbunden ist.

Ein Batterie-Separator hat die Aufgabe, Kathode und Anode in einer Zelle räumlich zu trennen und elektrisch voneinander zu isolieren, um den Kurzschluss zu vermeiden. Der Separator ist allerdings für Ionen durchlässig. Der Separator ist mit Elektrolytlösung vollgesogen damit die Ionen sich gut zwischen Kathode und Anode austauschen können.

Diese Komponenten, die allgemein als Elektroden bezeichnet werden, nehmen den grössten Teil des Raums und Gewicht in einer Batterie ein. Ein Separator bildet eine elektrische Barriere zwischen der Kathode und der Anode, die verhindert, dass sich die Elektroden berühren, während die elektrische Ladung (als Ionen) frei zwischen Anode und Kathode fliessen kann.

Das Medium, das den Fluss der elektrischen Ladung zwischen Kathode und Anode ermöglicht, wird als Elektrolyt bezeichnet. Schliesslich leitet der Stromkollektor die Ladung zur Aussenseite der Batterie und durch den Stromverbraucher (z.B. Batterie im Elektromotor im Auto oder Notebook).

Elektrode in einer elektrochemischen Zelle - erklärt von Wiki Battery auf wikibattery.org

Batterieelektroden in Lithium-Ionen Batterien sind keine typischen Elektroden​

Eine Batterieelektrode, also Anode und Kathode sind meist auf einem elektrisch hoch leitenden Stromabnehmer (Stromkollektor)-Folien (z.B. Aluminium und Kupferfolien) aufgetragen, die die freigesetzten elektrischen Ladungen «sammeln» und transportieren. Diese Metallfolien sind viel besser (bis 10,000 mal) Strom-leitend als die Batterie-Elektroden Kathode und Anode. 

Da die chemischen Reaktionen aber in den Anoden und Kathoden ablaufen, werden diese als Elektroden in der Elektrochemischen Zell bezeichnet. Die effektiven metallischen Stromleiter-Folien werden als «Stromabnehmer» oder auf Englisch «current collector» und nicht als Elektroden bezeichnet, obwohl genau genommen letzteren die besseren Elektroden mit hoher elektrischen Leitfähigkeit sind. Aber die wesentlichen elektrochemischen Prozesse finden nicht an den Stromkollektoren, sondern an den mässig leitenden «Kathode-Elektrode» und «Anode-Elektrode» statt.

Elektroden erster und zweiter Art​

Batterieelektroden wie NMC (Kathode) oder Graphit (Anode) werden daher auch als
Elektroden «zweiten Art» bezeichnet und Elektroden ohne Beteiligung einer chemische Reaktion wie z.B. Gold «Elektroden erster Art»

Prototyp-Zusammensetzung von Anode und Kathode in einer Lithium-Ionen Batterie

Kathoden sind zusammengesetzt aus einem 1) aktiven Kathodenmaterial (dieses speichert die Energie in chemischer Form), einem 2) stromleitenden Material (1-5 % elektrisch leitfähiger Kohlenstoff z.B. wie Graphen) und einem 3) formgebenden Kleber, meist ein Polymer (z.B. CMC, Carboxymethyl cellulose).

Anoden sind, zusammensetzt aus einem 1) aktiven Anodenmaterial z. B. LTO (dieses speichert die Energie), einem 2) stromleitenden Material (1-8% elektrisch leitfähiger Kohlenstoff z.B. leitfähige Carbon Nanotubes), und einem 3) formgebenden Kleber, meist ein Polymer (z.B. Polyvinylidenfluorid PVDF).

In primären Lithium-Zellen ist Lithium-Metall die Anode. Seit vielen Jahrzehnten wird versucht auch Lithium-Metall als Anode in Akkumulatoren (aufladbaren Batterien) zu verwenden, da die Kapazität von Lithium-Metall sehr hoch ist.

Referenzen und weiterführende Literatur

  1. Durst, R., Baumner, A., Murray, R., Buck, R., & Andrieux, C., Chemically modified electrodes: Recommended terminology and definitions
  2. Vladislav V. Kharton, Solid State Electrochemistry II: Electrodes, Interfaces and Ceramic Membranes, Wiley, 2011
  3. Elektroden in Wikipedia Deutsch
  4. Electrode Meeriam-Webmaster
  5. Allen J. Bard, Martin Stratmann, Encyclopedia of Electrochemistry, Wiley, 2017
  6. Allen J. Bard, Martin Stratmann, Israel Rubinstein, Masamichi Fujihira, James F. Rusling, in Modified Electrodes, Wiley, 2007
 

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