Was ist eine Kathode?
Definition
Wie funktioniert eine Kathode?
Die Funktionsweise einer Kathode hängt vom jeweiligen elektrochemischen System ab. In einer Batterie besteht die Kathode aus einem Material mit einer hohen Affinität zu Lithium-Ionen, wie beispielsweise Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2) oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Beim Entladen der Batterie wandern die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und lagern sich dort in das Kristallgitter des Kathodenmaterials ein. Gleichzeitig fließen Elektronen über den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode und gleichen so die positive Ladung der eingelagerten Lithium-Ionen aus.
In einer Brennstoffzelle hingegen findet an der Kathode die Reduktion von Sauerstoff statt. Die dabei freiwerdenden Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Anode, wo sie für die Oxidation des Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) benötigt werden. Die an der Kathode entstehenden Sauerstoff-Ionen reagieren mit den Protonen, die durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode wandern, zu Wasser
Welche Materialien werden für Kathoden verwendet?
Die Wahl des Kathodenmaterials hängt von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsbereichs ab. Für Lithium-Ionen-Batterien haben sich Übergangsmetalloxide wie LiCoO2, LiMn2O4 und LiFePO4 etabliert. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, eine gute Zyklenstabilität und eine hohe Sicherheit aus.
In jüngster Zeit gewinnen auch Kathodenmaterialien auf Basis von Nickel, Mangan und Cobalt (NMC) sowie Nickel, Cobalt und Aluminium (NCA) an Bedeutung. Diese Materialien ermöglichen noch höhere Energiedichten und sind daher besonders für Anwendungen in der Elektromobilität interessant.
Für Brennstoffzellen werden häufig Kathoden aus Platin oder Platin-Legierungen verwendet, da diese eine hohe katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion aufweisen.
Welche Rolle spielt die Kathode in Batterien?
In Batterien ist die Kathode maßgeblich für die Leistungsfähigkeit und Energiedichte verantwortlich. Je nach Wahl des Kathodenmaterials können Batterien für unterschiedliche Anwendungen optimiert werden. So eignen sich LFP-Kathoden aufgrund ihrer hohen Sicherheit und langen Lebensdauer besonders für stationäre Energiespeicher, während NMC- und NCA-Kathoden mit ihrer hohen Energiedichte vor allem in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
Die Kathode beeinflusst auch die Kosten einer Batterie. Da Kathodenmaterialien oft teure Übergangsmetalle wie Cobalt enthalten, wird intensiv an Möglichkeiten geforscht, den Cobalt-Anteil zu reduzieren oder ganz auf Cobalt zu verzichten.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Entwicklung neuer Kathodenmaterialien?
Die Entwicklung neuer Kathodenmaterialien ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Ein zentrales Ziel ist die Erhöhung der Energiedichte, um Batterien mit höherer Kapazität und längerer Laufzeit zu ermöglichen. Gleichzeitig müssen neue Materialien aber auch sicher, langlebig und kostengünstig sein.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Hochvolt-Spinellen wie LiNi0.5Mn1.5O4, die Betriebsspannungen von bis zu 5 V ermöglichen. Allerdings sind für diese Materialien neue Elektrolyte erforderlich, die bei hohen Spannungen stabil sind.
Auch die Entwicklung von Festkörper-Batterien mit Kathoden aus Schwefel oder Sauerstoff wird intensiv erforscht. Diese Systeme versprechen deutlich höhere Energiedichten als konventionelle Lithium-Ionen-Batterien, sind aber noch weit von der kommerziellen Anwendung entfernt.
Wie sieht die Zukunft der Kathodenforschung aus?
Die Zukunft der Kathodenforschung wird von dem Bestreben geprägt sein, Batterien mit immer höherer Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer zu entwickeln und gleichzeitig die Kosten zu senken. Dafür werden neue Materialien und Herstellungsverfahren benötigt.
Ein wichtiger Trend ist die Erhöhung des Nickel-Anteils in NMC-Kathoden, um die Energiedichte weiter zu steigern. Gleichzeitig wird intensiv an cobaltfreien Kathodenmaterialien geforscht, um die Abhängigkeit von diesem teuren und oft unter fragwürdigen Bedingungen abgebauten Rohstoff zu reduzieren.
Auch die Entwicklung von Festkörper-Batterien mit Kathoden aus Schwefel oder Sauerstoff wird die Forschung in den kommenden Jahren prägen. Wenn es gelingt, die technologischen Hürden zu überwinden, könnten diese Systeme eine Revolution in der Energiespeicherung auslösen.
Insgesamt wird die Kathodenforschung auch in Zukunft eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung leistungsfähiger, sicherer und nachhaltiger Energiespeichersysteme spielen. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit von Materialwissenschaft, Elektrochemie und Ingenieurwissenschaften können wir die Herausforderungen meistern und die Energiewende voranbringen.