Elektrolyte
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Elektrolyte für Batterien
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Elektrolyte - Einführung

Elektrolyt Definition

Elektrolyte sind Stoffe, die in einem Lösungsmittel, in der Schmelze oder im kristallinen Festkörper frei bewegliche Ionen bilden und dadurch den Transport des elektrischen Stroms ermöglichen.

Was ist ein Elektrolyt im physikalischen und chemischen Sinne?

Als Elektrolyt bezeichnet man eine chemische Verbindung, die in festem, flüssigem oder gelöstem Zustand in Ionen dissoziiert ist und sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gezielt bewegt (Mobilität).

  • Der Begriff Elektrolyt bezieht sich häufig auch auf das feste oder flüssige Material, das die mobilen Ionen enthält.
  • Die elektrische Leitfähigkeit solcher Ionenleiter ist geringer als bei Metallen üblich.
    Sie werden daher als Leiter 2. Klasse bezeichnet.
  • Leiter 1. Klasse (mit Elektronen als Ladungsträger), die mit einem Ionenleiter in Kontakt stehen, werden als Elektroden bezeichnet.
  • An den Grenzflächen finden elektrochemische Reaktionen statt, insbesondere wenn Strom fließt.

Welche Bedeutung haben die Elektrolyte in der Biologie?

Elektrolyte sind für lebende Organismen (einschließlich des menschlichen Organkomplexes) und deren Wasserhaushalt lebenswichtig. Elektrolytmangel kann daher zu teilweise lebensbedrohlichen Hitzeschäden führen und tritt oft zusammen mit Flüssigkeitsmangel auf, der wiederum häufig durch Durchfallerkrankungen hervorgerufen wird.

Elektrolyt-Kategorien

1. Gelöste Elektrolyte

Gelöste Elektrolyte (zur Leitfähigkeit von gelösten Elektrolyten siehe elektrolytische Leitfähigkeit) können unterteilt werden in:

Starke Elektrolyte

Starke Elektrolyte, die beim Auflösen vollständig in Ionen gespalten werden, wie z. B. Natriumbromid.

Schwache Elektrolyte

Gelöste Elektrolyte (zur Leitfähigkeit von gelösten Elektrolyten siehe elektrolytische oder ionische Leitfähigkeit) können unterteilt werden in:

2. Feste Elektrolyte

Festelektrolyte können unterteilt werden in 1) Echte Elektrolyte (Schmelze oder kristalliner Feststoff ist leitend) und 2) ungelöste potenzielle Elektrolyte (Schmelze ist nicht leitend):

1) Echte Elektrolyte (Schmelze oder kristalliner Feststoff ist leitfähig)

Ein echter Elektrolyt ist ein Stoff, der aus Ionenkristallen im festen Aggregatzustand besteht und den elektrischen Strom in der Schmelze oder in Lösung leitet.

Beispiele:
NaBr(s) → Na+(aq) + Br-(aq)
KOH(s) → K+(aq) + OH-(aq)

Ein echter Elektrolyt ist in besonderen Fällen auch ein Feststoff, der die Elektrizität in kristalliner, fester Form leitet.

Beispiele:
Natrium-Ionen-leitendes Beta-Aluminiumoxid
LiX(BH4)- (NH2) – schnelle Lithium-Ionen-Leiter
Lithium-NASICON (Sodium Super Ionic Conductor) mit der Formel Na1+xZr2SixP3-xO12, 0 < x < 3.

Ungelöste potentielle Elektrolyte (Schmelze ist nicht leitend)

In ungelöster Form bestehen potenzielle Elektrolyte aus elektrisch neutralen Molekülen mit semipolaren bis homöopolaren Bindungen und einem hohen Dipolmoment. Zu ihnen gehören fast alle schwachen Elektrolyte und starke Säuren.

Aufgrund ihrer geringen intrinsischen Dissoziation leiten potenzielle Elektrolyte in der Regel auch im geschmolzenen Zustand praktisch keinen Strom. Die Ionen werden erst durch Reaktion mit dem Lösungsmittel gebildet, weshalb eine erhöhte Leitfähigkeit nur in Lösung nachgewiesen werden kann.

The aqueous solution of a potential electrolyte will contain both ionic species and un-dissociated molecules.

Beispiele für potenzielle Elektrolyte in wässriger Lösung:
HBr(g) + H2O → Br-(aq) + H3O+(aq) (Hydrogenbromid/Bromid)
CH3CH2COOH + H2O → CH3CH2COO- + H3O+ (Essigsäure/Acetat)

Batterie-Elektrolyte

Was sind Batterie-Elektrolyte?

Batterie-Elektrolyte sind ein zentraler Bestandteil einer Batterie. «Elektrolyte» ist eine ungenaue Sammelbezeichnung für Medien, die durch die elektrisch geladenen Atome (Ionen) oder geladene Moleküle (Ionen), die darin enthalten sind, elektrisch leitfähig sind. 

 

Festkörper-Elektrolyte, Gel-Elektrolyte, & flüssige Elektrolyte (Elektrolytlösung)

Flüssige-Elektrolyte

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Flüssige Elektrolyte

Die meisten Batterie-elektrolyte sind flüssig und sind daher als Elektrolytlösungen zu bezeichnen: In Blei-Säure-Batterien ist es etwa Schwefelsäure, der Elektrolyt, der mit Wasser, welches das Lösungsmittel fungiert, verdünnt ist. Es können aber auch geschmolzene Salze (Salzschmelze) z.B. flüssige, anorganische Salze (bei erhöhter Temperatur), wie in Thermal-Batterien, oder Festkörper (Festkörperelektrolyt) sein.-

In Lithium-Ionen Batterien (LIB)  werden wasserfreie, organischer Elektrolytlösungen verwendet. Die Absenz von Wasser macht es möglich viel mehr Energie in LIB’s zu speichern als in wässrigen Batterien. In heutigen (2022) umweltfreundlichen Elektroautos sind Batterien verbaut, mit meist flüssigen Elektrolyte verwenden. Auch die Mobilität 4.0 wird vorerst nur Batterien sehen, mit flüssigen Elektrolyten.

Auch in Superkondensatoren werden ähnlich wie in Lithium-Ionen wasserfreie, organischer Elektrolytlösungen verwendet. 

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Fest Elektrolyte Feststoff

Festkörper-Elektrolyte (Englisch: Solid-State Electrolyte - SSE)

Festkörper-Elektrolyte können Elektrolyte aus Polymeren sein, z.B. (Polyelektrolyte) und keramische anorganische Elektrolyte (z.B. Garnet-Elektrolyte, LLZO-Elektrolyt oder Sulfid-Elektrolyte), die Lithium-Ionen und Natrium-Ionen gut leiten. 

Festkörperelektrolyte sind jedoch Gegenstand aktueller Forschung und noch nicht standardmässig in kommerziellen Batterien erhältlich. Es besteht die Hoffnung durch die Verwendung von Festkörperelektrolyte reines Lithium-Metall in wiederaufladbaren LIBs einbauen zu können. Im Gegensatz zu flüssigen Elektrolyten könnten Festkörperelektrolyte das Wachstum von Dendriten in der Batteriezelle bremsen oder ganz verhindern. So könnte die Energiedichte von Lithium-Ionen Batterien signifikant erhöht werden, was in der elektrischen Aviatik besonders, aber auch in der E-Mobilität gewünscht ist.

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Gel-Elektrolyte in Polymer-Batterien

Es ist auch möglich, ionische Polymere (Polyelektrolyte, z.B. Nafion) oder nicht-ionische Polymere (z.B. Polethylenoxid, PEO) und Lösungsmittel als Elektrolyt zu kombinieren, wobei man dann von einem Gel-Elektrolyten spricht. Solche Gel-Elektrolyte sind beliebt, weil sie die Ionenleitfähigkeit haben von flüssigen Elektrolyten besitzen, jedoch fest sind und nicht auslaufen. Solche Batterietypen sind kommerziell erhältlich und werden umgangssprachlich als «Polymer-Batterien» bezeichnet.

Additive im Batterie-Elektrolyten

Elektrolyten können verschiedene Zusätze (Additive) beigesetzt werden. Ist ein Elektrolyt nicht ausreichend elektrisch leitfähig, werden ihm Leitsalze zugesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Dies ist etwa in den meisten Lithium-Ionen-Batterien der Fall.

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Additive für Batterien

Batterieadditive helfen meist, die Stabilität einer Batterie zu verbessern. Viele weitere Additive können einem Elektrolyten zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften in einer Batterie zu verbessern. Benetzung-Batterieadditive sorgen etwa für eine bessere Benetzung der Elektroden mit dem Elektrolyten. Sogenannte Redox-Shuttle (redoxaktive Verbindungen) verhindern in Lithium-Ionen Batterien, dass es zu gefährlichen chemischen Reaktionen durch Überladung kommt

Ein wichtiger Faktor, der die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien einschränkt, ist die Degradation des Kathodenmaterials, die verursacht werden kann durch Auflösung von Übergangsmetallen, Grenzflächenreaktionen, Verlust des Kontakts mit leitenden Partikeln usw. verursacht wird. Obwohl alle Übergangsmetalle in der Kathode (wie z.B Mn, Ni, Co, Fe und Zn) für die Auflösung anfällig sind, zeigte Mangan die grösste Tendenz zur Zersetzung. Dies ist ein Hauptgrund für den Kapazitätsabfall in Spinell-Elektroden und anderen Manganhaltigen Kathoden. Die Metallauflösung führt zu struktureller Unordnung der Kathode und auch das Wachstum und den Abbau der SEI-Schicht auf der Anode. 

Eine Möglichkeit zur Lösung dieser Probleme ist die Verwendung von Additiven, die einen wirksamen Oberflächenfilm

auf der Kathode bilden können. Filmbildende Kathoden-Additive werden sollen vor den Lösungsmitteln oxidieren und die Elektroden-Oberfläche bedecken, um die oxidative Zersetzung der Elektrolyte zu verhindern.

Andere Additive für Batterien werden eingesetzt, um polymerartige Filme auf den Oberflächen von den Batterieelektroden zu bilden, in der Hoffnung, die Bildung von Lithiummetall-Dendrite und Zinkmetall-Dendriten zu verhindern.

Referenzen und weitere Lektüre

  1. Bachman, John Christopher and Muy, Sokseiha and Grimaud, Alexis and Chang, Hao-Hsun and Pour, Nir and Lux, Simon F. and Paschos, Odysseas and Maglia, Filippo and Lupart, Saskia and Lamp, Peter and Giordano, Livia and Shao-Horn, Yang, Inorganic Solid-State Electrolytes for Lithium Batteries: Mechanisms and Properties Governing Ion Conduction, Chemical Reviews, 116, 1, 140-162, 2016
  2. Matsuo, Motoaki and Remhof, Arndt and Martelli, Pascal and Caputo, Riccarda and Ernst, Matthias and Miura, Yohei and Sato, Toyoto and Oguchi, Hiroyuki and Maekawa, Hideki and Takamura, Hitoshi and Borgschulte, Andreas and Züttel, Andreas and Orimo, Shin-ichi, Complex Hydrides with (BH4) and (NH2) Anions as New Lithium Fast-Ion Conductors, JACS, 131, 45, 16389-16391, 2009

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