Aktivmaterial

Aktivmaterialien in der Batterieherstellung sind die chemischen Substanzen, die an den elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Batterie beteiligt sind. Das Aktivmaterial nimmt während des Ladevorgangs Ionen auf und gibt sie während des Entladevorgangs wieder ab. Dieser Prozess der Ionenaustauschreaktion ermöglicht die Speicherung und Freisetzung von Energie in der Batterie.

Aktivmaterialien sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit, Kapazität, Lebensdauer und Effizienz der Batterie. In einer typischen Lithium-Ionen-Batterie gibt es zwei Hauptaktivmaterialien:

Kathodenmaterialien (positives Elektrodenmaterial)

• Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂): Häufig in tragbaren Elektronikgeräten verwendet.
• Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄): Bekannt für seine Sicherheit und lange Lebensdauer, oft in Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen.
• Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC, LiNiMnCoO₂): Weit verbreitet aufgrund seines guten Gleichgewichts zwischen Energiedichte und Sicherheit.
• Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA, LiNiCoAlO₂): Verwendet in einigen Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen.

Anodenmaterialien (negatives Elektrodenmaterial)

• Graphit: Am häufigsten verwendetes Anodenmaterial aufgrund seiner guten Stabilität und Verfügbarkeit.
• Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂): Bietet eine hohe Sicherheitsleistung und eine lange Lebensdauer, jedoch mit einer geringeren Energiedichte.
• Silizium: Wird zunehmend als Zusatz zu Graphit-Anoden verwendet, um die Energiedichte zu erhöhen.

Weitere Komponenten 

Zusätzlich zu den Hauptaktivmaterialien gibt es noch andere wichtige Komponenten, die zur Leistungsfähigkeit der Batterie beitragen:

• Elektrolyt: Ein leitendes Medium, das die Ionen zwischen Anode und Kathode transportiert. In Lithium-Ionen-Batterien wird oft ein flüssiger Elektrolyt auf Basis von Lithiumsalzen verwendet.
• Separator: Eine mikroporöse Membran, die die Anode und die Kathode physisch trennt, aber den Ionenfluss ermöglicht.
• Leitfähige Additive und Binder: Hilfsstoffe, die die elektrische Leitfähigkeit und mechanische Stabilität der Elektroden verbessern.

Die Wahl der Aktivmaterialien hängt stark von der beabsichtigten Anwendung der Batterie ab, da verschiedene Materialien unterschiedliche Eigenschaften wie Energiedichte, Ladegeschwindigkeit, Sicherheit und Lebensdauer aufweisen.

Eigenschaften der Aktivmaterialien

Die wichtigsten Eigenschaften von Aktivmaterialien umfassen:

• Spezifische Kapazität: Die Menge an elektrischer Ladung, die pro Gewichtseinheit des Aktivmaterials gespeichert werden kann, üblicherweise in mAh/g angegeben.
• Zyklenfestigkeit: Die Fähigkeit des Aktivmaterials, nach vielen Lade- und Entladezyklen eine hohe Kapazität beizubehalten.
• Leitfähigkeit: Die Fähigkeit, elektrische Ladung effizient zu leiten, um Energieverluste zu minimieren.

Die Entwicklung neuer Aktivmaterialien ist ein aktives Forschungsgebiet. Ziele sind die Erhöhung der Energiedichte, die Verbesserung der Zyklenfestigkeit, die Reduktion der Herstellungskosten und die Erhöhung der Sicherheit. Zum Beispiel wird an der Entwicklung von Festkörperbatterien gearbeitet, die feste Aktivmaterialien verwenden und potenziell sicherer und leistungsfähiger als herkömmliche Batterien mit flüssigen Elektrolyten sind.