Batterie- und Energiewerkstoffe

Batterie- und Energiewerkstoffe: das Wichtigste

In Lithium-Ionen-Batterien wandern beim Laden und Entladen Li⁺-Ionen zwischen den Kristallen der positiven und der negativen Elektrode hin und her. Als Kathodenmaterialien dienen unter anderem LiCoO₂ mit geschichteter Steinsalzstruktur, LiMn₂O₄ mit Spinellstruktur und LiFePO₄ mit Olivinstruktur; die Struktur bestimmt die Dimensionalität der Li⁺-Diffusionspfade, die Spannung und die Sicherheit. Die theoretische Kapazität einer Elektrode ergibt sich aus Q = nF/(3,6M) mAh/g. Auch an Festkörperbatterien, die den flüssigen Elektrolyten durch einen Festelektrolyten ersetzen, wird intensiv geforscht.

Bei Brennstoffzellen bestimmt die Art des Elektrolyten – protonenleitend oder oxidionenleitend – die Betriebstemperatur, und die theoretische Zellspannung der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff beträgt etwa 1,23 V. Die Obergrenze des Wirkungsgrads von Solarzellen ergibt sich aus dem Kompromiss zwischen durchgelassenem Licht und Thermalisierungsverlusten, den die Bandlücke der Absorberschicht festlegt. Die Güte thermoelektrischer Materialien wird durch ZT = S²σT/κ ausgedrückt; gesucht sind Materialien, die den elektrischen Strom gut, die Wärme aber schlecht leiten.