Was ist ein Elektrolyt?
Definition
Ein Elektrolyt ist ein Stoff, der in gelöstem oder geschmolzenem Zustand elektrische Leitfähigkeit aufweist. Diese Leitfähigkeit beruht auf der Anwesenheit von frei beweglichen Ionen – elektrisch geladenen Teilchen, die entweder positiv (Kationen) oder negativ (Anionen) geladen sind. In wässrigen Lösungen bestehen Elektrolyte meist aus Salzen, Säuren oder Basen, die in Wasser dissoziieren und somit Ionen freisetzen.
Elektrolyte können sowohl in flüssiger als auch in fester Form vorliegen. Flüssige Elektrolyte sind beispielsweise Salzschmelzen oder wässrige Lösungen von Salzen, Säuren oder Basen. Feste Elektrolyte, auch Festelektrolyte genannt, sind hingegen Feststoffe mit Ionenleitfähigkeit, wie zum Beispiel bestimmte Keramiken oder Polymere.
Wie funktioniert ein Elektrolyt?
Die Funktionsweise eines Elektrolyten beruht auf der Bewegung von Ionen in einem elektrischen Feld. Wird an zwei in den Elektrolyten eintauchende Elektroden eine Spannung angelegt, so wandern die positiv geladenen Kationen zur negativ geladenen Kathode und die negativ geladenen Anionen zur positiv geladenen Anode. Dieser gerichtete Ionentransport ermöglicht die Leitung elektrischer Ströme durch den Elektrolyten.
Die Leitfähigkeit eines Elektrolyten hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Art und Konzentration der gelösten Ionen, der Temperatur und der Viskosität des Lösungsmittels. Je höher die Ionenkonzentration und je beweglicher die Ionen, desto besser leitet der Elektrolyt den elektrischen Strom.
Welche Arten von Elektrolyten gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyten, die sich hinsichtlich ihres Aggregatzustands, ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Anwendungsbereiche unterscheiden. Einige wichtige Beispiele sind:
Wässrige Elektrolyte
Lösungen von Salzen, Säuren oder Basen in Wasser, z.B. Natriumchlorid (Kochsalz), Schwefelsäure, Natronlauge.
Nichtwässrige Elektrolyte
Lösungen in organischen Lösungsmitteln, z.B. Lithiumsalze in Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat für Lithium-Ionen-Batterien.
Ionische Flüssigkeiten
Salzschmelzen, die bereits bei Raumtemperatur flüssig sind, z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat.
Festelektrolyte
Feste Stoffe mit Ionenleitfähigkeit, z.B. Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) für Festoxidbrennstoffzellen, Lithiumiodid für Feststoffbatterien.
Polymerelektrolyte
Polymere mit eingebauten Ionen, z.B. Nafion für Brennstoffzellen, Lithiumpolymer für Lithium-Polymer-Akkus.
Welche Anwendungsbereiche gibt es für Elektrolyte?
Die Wahl des Elektrodenmaterials hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Wichtige Kriterien sind die elektrische Leitfähigkeit, die elektrochemische Stabilität, die katalytische Aktivität und die Kosten. Häufig verwendete Materialien sind:
Batterien und Akkumulatoren
Elektrolyte ermöglichen den Ladungstransport zwischen den Elektroden und sind somit essenziell für die Funktion von wiederaufladbaren und nicht wiederaufladbaren Batterien, wie Bleiakkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkus, Alkali-Mangan-Batterien etc.
Brennstoffzellen
Elektrolyte trennen Anode und Kathode und leiten selektiv Ionen (z.B. Protonen oder Oxidionen) zwischen den Elektroden, um die elektrochemische Energieumwandlung zu ermöglichen.
Elektrolyse
Elektrolyte ermöglichen die elektrochemische Zerlegung von Verbindungen durch Anlegen einer Spannung, z.B. die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff oder die Gewinnung von Metallen wie Aluminium oder Kupfer.
Galvanotechnik
Elektrolyte dienen als Stromleiter und Ionenquelle bei der elektrochemischen Beschichtung von Oberflächen, z.B. beim Verchromen, Verzinken oder Vergolden.
Superkondensatoren
Elektrolyte mit hoher spezifischer Kapazität und Leitfähigkeit ermöglichen die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie in Doppelschichtkondensatoren.
Wie sieht die Zukunft der Elektrolyte aus?
Die Weiterentwicklung von Elektrolyten ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, um die Leistung, Sicherheit und Nachhaltigkeit von elektrochemischen Energiespeichern und -wandlern zu verbessern. Einige vielversprechende Ansätze sind:
Festkörperelektrolyte für Batterien
Feste, nicht brennbare Elektrolyte sollen die Sicherheit und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen und Dendritenbildung verhindern.
Redox-Flow-Batterien
Flüssige Elektrolyte mit gelösten Redoxpaaren ermöglichen die Speicherung großer Energiemengen und die Entkopplung von Leistung und Kapazität.
Ionische Flüssigkeiten
Salzschmelzen mit niedrigem Schmelzpunkt versprechen eine höhere thermische und elektrochemische Stabilität sowie eine geringere Entflammbarkeit als konventionelle Lösungsmittel-basierte Elektrolyte.
Bioinspirierte Elektrolyte
Von biologischen Systemen inspirierte Konzepte, wie z.B. protonenleitende Membranen nach dem Vorbild von Zellmembranen, könnten neuartige Elektrolyte mit verbesserter Selektivität und Effizienz hervorbringen.