wiederaufladbare batterien anodenmaterialien 07.januar.2014 louisa bohn
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Wiederaufladbare Batterien
Anodenmaterialien
07.Januar.2014Louisa Bohn
Was ist eine Anode?
https://www.tvt.kit.edu/21_984.php [letzter Stand : 5.1.14]
Was ist eine Anode?
• Oxidationsprozesse an der Anode
• Anode = Reduktionsmittel
Was ist eine Anode?
https://www.tvt.kit.edu/21_984.php [letzter Stand : 5.1.14]
Anode
Standardmaterial - Graphit
Riedel-Janik
Interkalation
Reversible Einlagerung von Molekülen/Ionen in chemische Verbindungen
Keine Änderung der Wirt-Struktur
http://de.wikipedia.org/wiki/Interkalation_%28Chemie%29 [letzter Stand: 4.1.14]
Interkalation
Lithium-Ionen Akku:
Einlagerung eines „Elektonendonators“ Elektronen werden über den äußeren Stromkreis geliefert
Probleme/Anforderungen an Anodenmaterialien
• Kapazität• Mechanische Stabilität• Chemische Stabilität • Kinetik
Kapazität
Kapazität :
Zahl der beim Entladen freigesetzten Elektronen pro Masse –bzw. Volumeneinheit .
Erhöhung der Kapazität:
Mehr Ladungsträger pro Masse/VolumenMehr Li-Ionen Interkalation Forderung an Wirtstruktur: Masse und Dichte gering, aber
hohe Li-Ionen Einlagerung möglich
Kapazität - Graphit
Interkalation von Li in Graphit: LixCn
Maximale Interkalation:
LiC6 mit x = 1 und n =6
Theoretische Kapazität:
372 mAh/gKapazität ist begrenztKeine Erhöhung der Li-Ionen-Interkalation möglich
Kapazität – Silicium
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_5/vlu/atomkristalle.vlu.html [letzter Stand: 6.1.14]
Diamantstruktur
Zink-Blende Typ Kubisch flächenzentriert ½ aller Tetraederlücken besetzt
Maximale Interkalation:Li15Si4
Theoretische Kapazität:4200 mAh/g
Mechanische Stabilität – Silicium
Große Volumenänderung bei Lade- und Entladevorgang (300%)
Ausdehnung beschädigt die Silicium-Elektrode stark
Zerstörung der Anode
großer Kapazitätsverlust
Mechanische Stabilität –Silicium
Lösungsansatz: Silicium-Nanodraht
Feld aus Si-Nanodrähten
Keine Gegenseitige Zerstörung der Drähte durch Ausdehnung
Chemische Stabilität – metallisches Lithium
• geringen Größe und Gewicht
• stark negativen Elektrodenpotential
• Theoretische Kapazität: 3860 mAh/g
• Bildung eines Schutzfilms zwischen Elektrolyt und Elektrode
Chemische Stabilität - SEI
K.Möller, M.Winter, Skript zum Anorganischen Praktikum – TU Gratz, 2005
SEI – „solid electrolyt interphase “
Bildung einer Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Elektrodenoberfläche
Nur für Li-Ionen durchlässig
Auch bei Li+-Interkalationsverbindungen
Chemische Stabilität
H.Kim, G.Jeong, Y.Kim, J.Kim, C.Parke, H.Sohn Chem. Soc. Rev., 2013,42, 9011
Probleme:
Bildung eines hochreaktiven Dendriten-Schwammes
„Durchwachsen“ der Dendriten zur Kathode Kurzschluss
Kinetik
Material Elektrische Leitfähigkeit [S/m]
Graphit 1 · 10-2
LiC6 1 · 105
Silicium 1 · 103
Lithium 1 · 107
Literatur• Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102. Auflage)
Berlin: de Gruyter, 2007• H.Kim, G.Jeong, Y.Kim, J.Kim, C.Parke, H.Sohn Chem. Soc. Rev., 2013,42,
9011• M.V.Reddy, G.V.Subba Rao, B.V.R.Chowdari, Chem. Rev., 2013, 113,
5364−5457• K.Möller, M.Winter, Skript zum Anorganischen Praktikum – TU Gratz,
2005• http://www.ac.uni-kiel.de/bensch/forschungsgebiete/
interkalationschemie [letzter Stand: 6.1.14]• http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Leitfähigkeit [letzter Stand:
5.1.14]• Riedel: Moderne Anorganische Chemie (3.Auflage) Berlin: de Gruyter,
2007