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Metall-Ionen-Batterien

Die bekanntesten und erfolgreichsten Vertreter der Metall-Ionen-Batterien sind die Lithium-Ionen-Batterien. Wissenschaftler arbeiten nicht nur daran, diese stetig zu verbessern, sondern auch weitere Metall-Ionen-Batterien zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen, etwa Natrium- oder Aluminium-Ionen-Batterien.

chemische Reaktion

In den Elektroden von Metall-Ionen-Batterien werden Materialien verwendet, die Metall-Ionen aufnehmen können und mit Ihnen sogenannte Interkalationsverbindungen eingehen. Dabei werden die Metall-Ionen nicht wie bei den meisten Batterietypen reduziert (siehe Redoxreaktion), sondern das Elektrodenmaterial. Die Metall-Ionen werden bei der Interkalation als Ionen eingelagert (nicht als chemische Verbindung oder Metall), weshalb man bei diesem Batterietyp von Metall-Ionen-Batterien spricht.

Wird eine Metall-Ionen-Batterie entladen, wandern die Metall-Ionen von der Anode in den Elektrolyten durch den Separator zur Kathode, wo sie eingelagert werden. Für jedes eingelagerte Metall-Ion nimmt das Kathodenmaterial so viele Elektronen auf, wie zum Ladungsausgleich nötig sind. Bei einem einwertigen Lithium- (Li+) oder Natrium-Ion (Na+) ist es ein Elektron, bei einem dreiwertigen Aluminium-Ion (Al3+) sind es drei Elektronen.

Die Elektronen, welche die Kathode für die Einlagerung der Metall-Ionen benötigt, stammen von der Anode, mit der Sie durch einen Verbraucher – etwa ein Handy – verbunden ist. Durch die entzogenen Elektronen wird das Anodenmaterial oxidiert und je nach Anzahl der fehlenden Elektronen werden Metall-Ionen in den Elektrolyten freigesetzt.

Beim Laden vollzieht sich der umgekehrte Prozess: Metall-Ionen wandern von der Kathode zur Anode, wo sie eingelagert werden.

Wie viele Elektronen pro Metall-Ion an die Elektrode abgegeben werden, hängt vom Metall-Ion ab. Lithium etwa ist nur in der Lage ein Elektron abzugeben, Aluminium hingegen drei, was für einen dreifachen Ladungstransport pro Metall-Ion sorgt und diese Metall-Ionen sehr attraktiv für neue Batterietypen erscheinen lässt. Jedes Metall-Ion bringt andere Eigenschaften mit sich und verändern damit auch die Eigenschaften der Batterie. Neben Vorteilen bergen die unterschiedlichen Batterietypen aber auch Nachteile. Sie unterscheiden sich u. a. in ihrem Gewicht, was auch das Gewicht der Batterie beeinflusst, der Verfügbarkeit der Rohstoffe und damit verbunden den Kosten und in vielen anderen Bereichen, die es zu berücksichtigen gilt.

Ein Austausch der bewährten Lithium-Ionen durch andere Metall-Ionen in einem Batteriesystem wirkt sich auf das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Zellkomponenten aus. Das hat zur Folge, dass viele Komponenten angepasst werden müssen und teilweise neue Materialien gesucht werden müssen – möglicherweise gänzlich andere Systeme.

Eigenschaften und Anwendungen

Bislang sind nur Lithium-Ionen-Batterien kommerziell verfügbar. Andere Metall-Ionen-Batterien werden derzeit erforscht und entwickelt.

Typen