Elektrode
Elektroden sind unentbehrliche Bauteile jeder elektrochemischen Zelle und Batterie. Es handelt sich dabei um Materialien, die Elektronen (= elektrischen Strom) leiten. Diese sind in den meisten Fällen Festkörper, es gibt aber auch flüssige Elektroden (z. B. Quecksilber-Elektrode oder die Natrium-Elektrode in Natrium-Schwefel-Thermalbatterien).
Eine Elektrode steht in einer Zelle bzw. einer Batterie stets mit einer weiteren Elektrode (ihrer Gegenelektrode) in Wechselwirkung. Eine Elektrode ist positiv geladen, die andere negativ. Ist eine Batterie in Betrieb, wird sie entladen. Dabei fließt ein elektrischer Strom (= Elektronen) von der einen Elektrode durch einen Verbraucher (z. B. eine Glühbirne) in die Gegenelektrode. Durch den leitfähigen Elektrolyten, welcher die Elektroden umgibt, findet ein Ladungsaustausch statt, indem Ionen (geladene Teilchen) von der einen Halbzelle in die andere wandern, um die fehlenden Ladungen der Elektronen auf der gegenüberliegenden Elektrode auszugleichen.
Funktionsweise
Die beiden wechselwirkenden Elektroden in einer Zelle werden als Kathode und Anode bezeichnet. Die Kathode ist die negativ geladene Elektrode. Sie zieht positiv geladene Atome und Moleküle (Kationen) aus dem Elektrolyten von der gegenüberliegenden Halbzelle an. Sobald die Batterie benutzt wird, gehen von der Kathode Elektronen (= elektrischer Strom) auf Teilchen aus dem Elektrolyten über. Dies stellt einen Teil der chemischen Reaktion (die Reduktion, siehe Redoxreaktion) dar, durch welche die chemische Energie, die in einer Batterie gespeichert ist, als elektrische Energie nutzbar gemacht wird. Der zweite Teil der Reaktion (die Oxidation) findet an der Gegenelektrode, der Anode, statt. Aus ihr lösen sich positive Teilchen und gehen in den Elektrolyten über und negativ geladene Atome und Moleküle (Anionen) werden aus dem Elektrolyten angezogen. In beiden Fällen nimmt die Anode Elektronen auf. Diese fließen über den geschlossenen Stromkreis durch den Verbraucher zur Kathode.
Die Begriffe Anode und Kathode sind streng genonmmen über den Oxidations- bzw. Reduktionsprozess definiert. In einer nicht wiederaufladbaren (primären) Zelle oder Batterie ist das eindeutig. An welcher Elektrode in einer sekundären Zelle oder Batterie oxidiert oder reduziert wird, hängt aber davon ab, ob die Zelle bzw. Batterie geladen oder entladen wird. Um Missverständnisse zu vermeiden, spricht man deshalb bei der Betrachtung von sekundären Batterien immer von dem Entladevorgang bei der Definition für der Begrifflichkeiten Anode und Kathode.
Aufbau
Die chemisch aktiven Substanzen, die für die Energiespeicherung in Batterien verantwortlich sind, sind das Kernstück der Elektrode. Sie werden als Aktivmaterial bezeichnet. Dieses leitet elektrischen Strom aber oft nur schlecht, was sich negativ auf die Leistungsdaten einer Batterie auswirken würde. Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden die Aktivmaterialien auf einem gut leitenden Stromkollektor aufgebracht. Das sind oft sehr dünne Metallfolien oder -bleche (z. B. aus Aluminium oder Kupfer).
Teilweise werden den Aktivmaterialien sogenannte Additive zugesetzt, welche der Elektrode bestimmte Eigenschaften verleihen sollen, die sie ohne diese Zusätze nicht haben. Das können etwa Substanzen sein, die Poren in der Elektrode erzeugen, oder Leitfähigkeitsadditive, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Selbst solche Zusätze müssen viele verschiedenen Anforderungen erfüllen, um das komplexe Zusammenspiel aller Komponenten in der Zelle nicht zu stören.
Ein Beispiel für Leitfähigkeitsadditive sind sogenannte Leitruße. Das sind Pulver, die zu einem hohen Anteil aus Kohlenstoff bestehen (Ruß). Diese müssen nicht nur eine gute Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch einen geringen elektrischen Widerstand im Kontakt mit dem Elektrolyten oder dem Aktivmaterial, müssen ausreichende Elektrolytmengen aufnehmen und durchfließen lassen können, müssen elastisch und zusammendrückbar sein, dürfen nicht mit dem Elektrolyten oder Aktivmaterial reagieren und nur sehr wenige Verunreinigungen enthalten.1
Um das Aktivmaterial zusammenzuhalten, werden Binder verwendet, welche als eine Art Klebstoff fungieren.
Literatur
- Daniel, C.; Besenhard, J. O., Hrsg., Handbook of Battery Materials, 2. Aufl.; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA: Weinheim (2012); S. 275f.