{"id":4706,"date":"2020-07-25T11:21:40","date_gmt":"2020-07-25T16:21:40","guid":{"rendered":"https:\/\/www.arbin.com\/?p=4706"},"modified":"2023-02-20T09:40:35","modified_gmt":"2023-02-20T15:40:35","slug":"wie-batteriematerialien-die-effizienz-von-batterien-beeinflussen-konnen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wie-batteriematerialien-die-effizienz-von-batterien-beeinflussen-konnen-html","title":{"rendered":"Wie Batteriematerialien die Effizienz von Batterien beeinflussen k\u00f6nnen"},"content":{"rendered":"
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Fortschrittliche Batteriematerialien. 30147D<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die chemische Zusammensetzung einer Batterie kann sehr heikel sein. Die aktiven Materialien innerhalb der Zelle arbeiten bei der Energiefreisetzung zusammen, und die Wahl der Materialien kann die Effizienz der Batterie bestimmen. Es k\u00f6nnen jedoch auch unerw\u00fcnschte chemische Reaktionen auftreten, die die Sicherheit und Langlebigkeit der Zelle beeintr\u00e4chtigen. Unterschiedliche Materialien k\u00f6nnen zu unerw\u00fcnschten Ergebnissen wie Dendritenbildung, Kurzschl\u00fcssen und thermischem Durchgehen f\u00fchren, und je nach Materialkombination kann der Abbau der Elektroden vermieden oder erleichtert werden.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Batterie besteht aus mehreren Teilen; die wichtigsten aktiven Materialien sind die Anode, die Kathode und der Elektrolyt. Ein Gro\u00dfteil der <\/span>Forschung an Batteriematerialien<\/a><\/strong> konzentriert sich auf die Pr\u00fcfung von Materialien f\u00fcr diese Komponenten. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, sowohl allein als auch in Kombination mit anderen Materialien. In diesem Artikel stellen wir einige Materialien vor, die f\u00fcr die drei wichtigsten aktiven Materialien verwendet werden oder an denen geforscht wird.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Anode<\/b><\/p>\n\n\n\n

Die Anode der Batterie ist die negative Elektrode, die Ionen an die Kathode abgibt, um die elektrische Ladung zu erzeugen. In einer wiederaufladbaren Batterie wird die Anode w\u00e4hrend des Ladevorgangs zum positiven Pol, der Ionen sammelt und speichert, um sie bei Bedarf freizugeben.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Die ideale Anode hat eine hohe Speicherkapazit\u00e4t und kann diese \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum beibehalten. Es hat sich gezeigt, dass Metallelektroden die h\u00f6chste Anzahl von Ionen transportieren k\u00f6nnen. Theoretisch ist also reines Metall das effizienteste Anodenmaterial, da es eine hohe Energiekapazit\u00e4t bietet. Allerdings k\u00f6nnen sie auch sehr reaktiv sein, was ihre Verarbeitung erschwert. Lithiummetall ist ein solches Beispiel. Eines der Probleme bei Lithiummetall ist die Dendritenbildung, ein Prozess, bei dem sich das Lithium ungleichm\u00e4\u00dfig auf der Oberfl\u00e4che der Anode verteilt und verzweigungsartige Strukturen bildet, die den Separator durchdringen und einen Kurzschluss in der Batterie verursachen k\u00f6nnen.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Magnesium ist ein weiteres Metall mit einer gro\u00dfen theoretischen Kapazit\u00e4t, aber es kann schwierig sein, damit zu arbeiten. Magnesiummetall reagiert mit dem Elektrolyten, wodurch sich der Elektrolyt spontan zersetzt und eine Schicht aus fester Elektrolytinterphase (SEI) bildet. Dies kann auch bei anderen Batteriezusammensetzungen vorkommen, aber bei Magnesium ist diese Schicht ionisch isolierend, was bedeutet, dass die Anode keine Ionen mehr abgeben oder aufnehmen kann, was die Zelle im Grunde unbrauchbar macht. In dieser Situation w\u00e4re eine Anoden-Elektrolyt-Kombination, die nicht so empfindlich ist, praktischer.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Graphit gilt als g\u00fcnstige Wahl f\u00fcr eine Anode, da es reichlich vorhanden und von Natur aus leitf\u00e4hig ist und das Problem der Dendritenbildung nicht auftritt. Es ist derzeit ein g\u00e4ngiges Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, hat sich aber in Verbindung mit Natrium- oder Magnesiumionen nicht so gut bew\u00e4hrt. A <\/span>Studie<\/strong><\/span><\/a> hat erkl\u00e4rt, dass dies daran liegen k\u00f6nnte, dass sie die schw\u00e4chste chemische Bindung zu einem bestimmten Substrat haben, was zu einer geringeren Energiekapazit\u00e4t f\u00fchrt. Dies zeigt, dass ein Material zwar in einem Fall gut funktionieren kann, in einem anderen aber m\u00f6glicherweise nicht.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Kathode<\/b><\/p>\n\n\n\n

Die Kathode funktioniert umgekehrt wie die Anode. Bei der Entladung ist sie die positive Elektrode, die die Ionen von der Anode aufnimmt, und bei der Aufladung ist sie der negative Pol.<\/span><\/p>\n\n\n\n

\u00c4hnlich wie die Anode sollte auch die ideale Kathode eine hohe Kapazit\u00e4t haben und in einer wiederaufladbaren Zelle in der Lage sein, den chemischen Prozess umzukehren, ohne die Batterie zu beeintr\u00e4chtigen. <\/span><\/p>\n\n\n\n

Kobalt ist ein Material, das h\u00e4ufig als Kathode in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird; es bietet eine hohe Energiedichte, weshalb es gerne verwendet wird. Allerdings hat es einen <\/span>begrenzter Temperaturbereich<\/a><\/strong> und es besteht die Gefahr des thermischen Durchgehens. Da es sich um ein Schwermetall handelt, gibt es auch zahlreiche Umweltprobleme bei der Batterieentsorgung. Unternehmen wie Tesla verlagern ihren Schwerpunkt auf die Entwicklung kobaltfreier Batterien.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Schwefel ist ein beliebtes Kathodenmaterial, da es reichlich vorhanden ist und ein hohes elektrochemisches Potenzial aufweist. Schwefel selbst hat eine geringe Leitf\u00e4higkeit und wird oft mit leitf\u00e4higen Materialien wie Kohlenstoffnanor\u00f6hren gemischt, um dieses Problem zu verbessern. Allerdings gibt es auch ein erhebliches Problem mit der Volumenausdehnung. A <\/span>Studie<\/a><\/strong> stellte fest, dass die Schwefelkathode nach dem Zyklus 170% anstieg. Dies verursacht eine mechanische Belastung der Kathode, die zu Rissen in ihrer Struktur f\u00fchren k\u00f6nnte, was die Batterieleistung stark beeintr\u00e4chtigt.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Luft in Kombination mit verschiedenen Materialien wurde ebenfalls als Kathodenalternative erforscht. Dahinter steht die Idee, den Sauerstoff der Umgebungsluft f\u00fcr den chemischen Prozess zu nutzen. Wie Schwefel hat auch Luft eine hohe theoretische Kapazit\u00e4t. Je nachdem, mit welchem Material die Luft gepaart wird, ergeben sich unterschiedliche Nachteile f\u00fcr die Luft. In der Regel ist die Oberfl\u00e4che des Substrats proportional zur tats\u00e4chlichen Kapazit\u00e4t der Zelle. Bei Lithium-Luft-Zellen hat sich jedoch herausgestellt, dass die Porengr\u00f6\u00dfe wichtiger ist, da kleinere Poren durch Lithiumoxidausscheidungen verstopft werden k\u00f6nnen, die sich w\u00e4hrend der chemischen Reaktion bilden k\u00f6nnen.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Der Elektrolyt<\/b><\/p>\n\n\n\n

Als das Medium, durch das die Ionen zwischen Kathoden und Anoden wandern, ist der Elektrolyt ein wichtiger Bestandteil einer funktionierenden Batterie. Er sollte jedoch ein passiver Teil des chemischen Prozesses sein. Ein ideales Elektrolytmaterial sollte also leitend, aber nicht reaktiv sein. Da der Elektrolyt in direktem Kontakt mit den Elektroden steht, k\u00f6nnen unerw\u00fcnschte chemische Reaktionen auftreten, die die Leistung der Batterie beeintr\u00e4chtigen w\u00fcrden.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Organische Elektrolyte werden wegen ihres breiten elektrochemischen Fensters bevorzugt. Das bedeutet, dass sie \u00fcber einen gro\u00dfen Spannungsbereich stabil bleiben k\u00f6nnen, ohne sich zu zersetzen.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Diese Elektrolyte bestehen in der Regel aus einem gel\u00f6sten Metallsalz. Da diese Materialien jedoch organisch sind, unterliegen sie der Zersetzung. Die bei der Zersetzung entstehenden Produkte und Gase k\u00f6nnen giftig sein und die Integrit\u00e4t der Zelle beeintr\u00e4chtigen.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Organische Elektrolyte sind auch daf\u00fcr bekannt, dass sie entflammbar sind. W\u00e4ssrige Elektrolyte gehen dieses Problem an. Eine Art, Wasser in Salzelektrolyten, hat ein breites elektrochemisches Fenster und eine h\u00f6here Leitf\u00e4higkeit als organische Elektrolyte. Dies k\u00f6nnte eine brauchbare Alternative f\u00fcr sicherere Batterien sein.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Feste Elektrolyte<\/a><\/strong> setzen sich langsam als m\u00f6glicher Ersatz durch. Trotz ihrer theoretisch geringeren Leitf\u00e4higkeit bieten Festk\u00f6rperbatterien Vorteile, darunter Sicherheit und die Unterdr\u00fcckung der Dendritenbildung.  <\/span><\/p>\n\n\n\n

Schlussfolgerung<\/b><\/p>\n\n\n\n

Die Batteriematerialien sollten entsprechend der Anwendung der Batterie ausgew\u00e4hlt und optimiert werden. Verschiedene Kombinationen von Kathode, Anode und Elektrolyt k\u00f6nnen <\/span>eine Eigenschaft der Batterie verbessern, aber eine andere beeintr\u00e4chtigen<\/a><\/strong>. Eine Batterie, bei der die Energiekapazit\u00e4t optimiert ist, kann m\u00f6glicherweise nur mit einer geringeren spezifischen Leistung betrieben werden, und in anderen F\u00e4llen kann dies auch umgekehrt sein. In anderen F\u00e4llen kann dies umgekehrt sein. So kann f\u00fcr einige Anwendungen, wie z. B. die Netzspeicherung, eine gro\u00dfe Energiekapazit\u00e4t erforderlich sein, w\u00e4hrend f\u00fcr andere Anwendungen die Leistungsabgabe optimiert werden sollte. In vielen F\u00e4llen werden diese Rohstoffe verarbeitet, um das Auftreten unerw\u00fcnschter chemischer Reaktionen oder Kapazit\u00e4tsverluste zu verringern. Zum Beispiel werden Lithiumbatterien h\u00e4ufig <\/span>vor der Lithiierung<\/a><\/strong> um den aktiven Lithiumgehalt auszugleichen, der beim Zyklus verloren geht. Graphit kann auch einem Fluorierungsprozess unterzogen werden, um seine Oberfl\u00e4che und die Gesamtkapazit\u00e4t der Batterie zu erh\u00f6hen.<\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Forscher sind st\u00e4ndig auf der Suche nach der ultimativen Kombination von Batteriematerialien, um sichere, zuverl\u00e4ssige und langlebige Energiespeicherl\u00f6sungen zu schaffen. <\/span><\/p>\n\n\n\n

Referenz: <\/span><\/i>https:\/\/www.sciencedirect.com\/science\/article\/pii\/S2590049819301201<\/span><\/i><\/a><\/p>\n\n\n\n

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Erfahren Sie, wie Arbin Forschern hilft, ihre Batteriematerialien<\/a>.<\/strong><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

The chemical composition of a battery can be very delicate. The active materials within the cell work together in the energy releasing process and the choice of materials can determine the efficiency of the battery. However, undesired chemical reactions can also occur, affecting the safety and longevity of the cell. Different materials can cause unwanted […]<\/p>","protected":false},"author":6,"featured_media":20130,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_seopress_robots_primary_cat":"none","_seopress_titles_title":"","_seopress_titles_desc":"","_seopress_robots_index":"","inline_featured_image":false,"site-sidebar-layout":"default","site-content-layout":"","ast-site-content-layout":"","site-content-style":"default","site-sidebar-style":"default","ast-global-header-display":"","ast-banner-title-visibility":"","ast-main-header-display":"","ast-hfb-above-header-display":"","ast-hfb-below-header-display":"","ast-hfb-mobile-header-display":"","site-post-title":"","ast-breadcrumbs-content":"","ast-featured-img":"","footer-sml-layout":"","theme-transparent-header-meta":"","adv-header-id-meta":"","stick-header-meta":"","header-above-stick-meta":"","header-main-stick-meta":"","header-below-stick-meta":"","astra-migrate-meta-layouts":"default","ast-page-background-enabled":"default","ast-page-background-meta":{"desktop":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""}},"ast-content-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""}},"footnotes":""},"categories":[115],"tags":[140,223],"class_list":["post-4706","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-industry-news","tag-lithium-ion-batteries","tag-materials-research"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4706","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/6"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=4706"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4706\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/20130"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=4706"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=4706"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/dev.arbin.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=4706"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}