Was ist Aktivmaterial?
Definition
Aktivmaterial bezeichnet die chemisch aktiven Substanzen in Batterien und Akkus, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind. Es befindet sich auf den Elektroden (Anode und Kathode) und ermöglicht durch elektrochemische Reaktionen das Ein- und Auslagern von Ionen, meist Lithium-Ionen. Dadurch wird elektrische Energie gespeichert bzw. abgegeben.
Welche Rolle spielt Aktivmaterial in Batterien?
Das Aktivmaterial ist das Herzstück jeder Batterie. Es bestimmt maßgeblich die Leistung, Kapazität und Lebensdauer. Je nach Wahl des Aktivmaterials können Batterien für unterschiedliche Anwendungen optimiert werden – von Hochenergie-Akkus für Elektroautos bis hin zu Hochleistungszellen für Elektrowerkzeuge.
Während des Lade- und Entladevorgangs finden im Aktivmaterial komplexe elektrochemische Prozesse statt:
- Beim Laden wandern Lithium-Ionen aus der Kathode zur Anode und lagern sich dort im Aktivmaterial ein.
- Beim Entladen kehrt sich der Prozess um. Die Lithium-Ionen wandern zurück zur Kathode.
Dabei ändern sich Kristallstruktur und Volumen des Aktivmaterials. Diese „Atmung“ der Elektroden ist eine große Herausforderung und kann auf Dauer zu Rissen und Kontaktverlust führen. Moderne Aktivmaterialien sind daher darauf optimiert, möglichst wenig mechanischen Stress zu erfahren.
Welche Arten von Aktivmaterial gibt es?
Es gibt eine Vielzahl verschiedener Aktivmaterialien, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Die wichtigsten Klassen sind:
Kathodenmaterialien
- Lithium-Cobaltoxid (LCO): Hohe Energiedichte, aber teuer und thermisch instabil. Wird vor allem in Konsumerelektronik eingesetzt.
- Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC): Guter Kompromiss aus Energiedichte, Leistung und Kosten. Standard in E-Auto-Akkus.
- Lithium-Eisenphosphat (LFP): Sehr sicher und langlebig, aber geringere Energiedichte. Beliebt für stationäre Speicher und Nutzfahrzeuge.
Anodenmaterialien
- Graphit: Bewährtes Anodenmaterial mit hoher Coulomb-Effizienz und geringer Volumenausdehnung
- Silizium: Extrem hohe spezifische Kapazität, aber starke Volumenänderung von bis zu 400%. Oft mit Graphit gemischt.
- Lithium-Titanat (LTO): Sehr stabil und sicher, ermöglicht Schnellladen. Nachteile sind hohe Kosten und geringe Kapazität.
Wie werden Aktivmaterialien hergestellt?
Die Herstellung von Aktivmaterialien erfordert präzise Kontrolle auf atomarer Ebene. Nur so lassen sich die gewünschten Eigenschaften wie hohe Kapazität, Langlebigkeit und Sicherheit erzielen. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:
- Festkörperreaktionen: Ausgangsstoffe werden gemahlen, gemischt und bei hohen Temperaturen gesintert. Einfach, aber wenig Kontrolle über Partikelgröße und -morphologie.
- Sol-Gel- und Hydrothermalsynthese: Erlauben präzise Einstellung von Zusammensetzung, Struktur und Partikelgröße. Aufwändig, aber ermöglicht maßgeschneiderte Hochleistungsmaterialien.
- Mechanische Aktivierung: Kommerzielle Pulver werden durch energieintensives Mahlen auf die gewünschte Partikelgröße gebracht und aktiviert.
Entscheidend für die Performance ist auch die Morphologie, also Form und Größe der Aktivmaterialpartikel. Nanoskalige Pulver bieten extrem große Oberflächen für schnelle Reaktionen, neigen aber zur Agglomeration. Poröse Strukturen wiederum können Volumenänderungen besser abfedern.
Welche Rolle spielen Additive und Beschichtungen?
Neben dem eigentlichen Aktivmaterial enthalten Batterieelektroden noch verschiedene Zusatzstoffe:
- Leitadditive wie Leitruß oder CNTs verbessern die elektrische Leitfähigkeit zwischen den oft schlecht leitenden Aktivmaterialpartikeln.
- Binder wie PVDF sorgen für den mechanischen Zusammenhalt und gute Haftung auf der Stromableiterfolie.
- Beschichtungen aus dünnen Keramik- oder Polymerfilmen schützen die Aktivmaterialoberfläche vor unerwünschten Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten.
Erst das perfekte Zusammenspiel aller Komponenten ermöglicht Hochleistungselektroden mit exzellenter Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Langlebigkeit.
Welche Innovationen gibt es bei Aktivmaterialien?
Die Forschung an neuen und verbesserten Aktivmaterialien ist ein Schlüssel für leistungsfähigere und nachhaltigere Batterien. Einige spannende Entwicklungen sind:
- Hochnickel-Kathoden wie NCM811 mit 80% Nickel ermöglichen Energiedichten von über 250 Wh/kg auf Zellebene - genug für 800 km Reichweite.
- Silizium-Kohlenstoff-Komposite kombinieren die hohe Kapazität von Silizium mit der Stabilität von Graphit und versprechen Anoden mit 2-3x höherer Speicherdichte.
- Feststoffelektrolyte aus Keramik oder Polymer ermöglichen den Einsatz von metallischem Lithium als Anode und neue Hochvolt-Kathoden für ultimative Energiedichten.
- Kobaltfreie Akkus auf Basis von Mangan oder Eisenphosphat reduzieren die Abhängigkeit von dem teuren und oft unter fragwürdigen Bedingungen abgebauten Konfliktmineral.
Erst das perfekte Zusammenspiel aller Komponenten ermöglicht Hochleistungselektroden mit exzellenter Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Langlebigkeit.
Fazit
Aktivmaterialien sind die Schlüsselkomponenten moderner Batterien und Akkus. Ihre stetigen Fortschritte in Bezug auf Energiedichte, Schnellladefähigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit treiben die Elektrifizierung unserer Gesellschaft voran – vom Smartphone bis zum Elektroauto. Mit maßgeschneiderten Aktivmaterialien und cleveren Elektrodenrezepturen lassen sich Batterien perfekt auf ihren jeweiligen Einsatzzweck zuschneiden. Die Zukunft verspricht noch viele spannende Entwicklungen wie kobaltfreie Kathoden, Siliziumanoden oder Feststoffbatterien mit neuen Leistungsdimensionen.