Graphit Anode

Graphit Anodenmaterial

Warum sollte man Graphit für Anoden wählen?

Graphit ist als eines der meistverwendeten Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien bekannt. Grund dafür sind seine hohen elektronischen Leitfähigkeiten, sowohl in der Masse als auch an der Oberfläche, sowie seine elektrochemische Stabilität bei Interkalations-/Deinterkalationsprozessen, bei denen Li-Ionen während des Zyklus (de)integriert werden. Dies ist wichtig für langlebige Batterien, da es bedeutet, dass Lithiumionen eine Graphitstruktur füllen können, ohne sie zu beschädigen. Außerdem, Graphit ist weit weniger schwer und chemisch inert als etwa Stahl oder ein anderer Stoff. In der Tat wird eine Graphitanode gegenüber anderen inerten Elektroden bevorzugt.

Die Bedeutung der Leitfähigkeit

Der Grund für die Wahl von Graphit für die Anode ist, dass es ein gutes Leitmaterial ist; während des Lade- oder Entladevorgangs können sich die Elektronen im Graphit frei bewegen. Dadurch bleibt die Ladung der Batterie erhalten und sie liefert Strom für alle Geräte, die auf sie angewiesen sind. Dies ist von entscheidender Bedeutung, denn ohne die erstaunliche Leitfähigkeit von Graphit würde eine Batterie nicht wirklich funktionieren.

Graphit in Lithium-Ionen-Batterien

Graphitanoden sind für Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar. Beim Aufladen lagern sich Lithiumionen zwischen den Graphitschichten ein. Beim Entladen wandern sie zurück zur Kathode, wo durch diese Bewegung ein Strom erzeugt wird, der zum Betrieb von Geräten genutzt werden kann. Die Fähigkeit von Graphit, große Mengen elektrischer Energie reversibel zu speichern, macht ihn zu einem unverzichtbaren Reservoir für die Speicherung und Abgabe von Strom in Lithium-Ionen-Batterien.

Lithium-Ionen-Akku vs. Graphit-Akku

Der wichtigste Unterschied zwischen Graphitbatterien und Lithium-Ionen-Batterien liegt im Anodenmaterial. Im Gegensatz zu traditionellen Lithium-Ionen-BatterienEinige neue Technologien verwenden Silizium (statt nur Graphit) als Anodenmaterial. Zwischen diesen beiden Arbeitspferden gewinnt Graphit bei der Zyklusdauer, während Silizium bei der potenziellen Energiedichte gewinnt. Das Problem ist jedoch, dass Siliziumanoden während des Ladevorgangs einen unangenehmen Schwellwert erzeugen, was zu fatalen strukturellen Schäden an den Akkus führt. Dennoch ist Graphit das gebräuchlichere Material, das den Spagat zwischen Leistung und Zuverlässigkeit schafft.

Graphitanoden-Elektrolyseverfahren

Während des Lade- und Entladevorgangs von Lithium-Ionen-Batterien findet in der Graphitanode eine elektrochemische Reaktion statt. Auf zellulärer Ebene an der Anode funktioniert die Batterie durch Elektrolyse, bei der geladene Lithiumionen nach innen gelangen und im Graphit eingefangen werden. Durch die Freisetzung von Ionen bei der Entladung fließen diese Ionen ein weiteres Mal zur Kathode und setzen Energie frei. Der Vorgang ist außerdem reversibel, so dass Sie die Batterie unzählige Male aufladen können, bevor sie Ihrer Graphitanode schadet.

Graphitanode und Siliziumanode im Vergleich

Die höhere theoretische Kapazität von Siliziumanoden (im Vergleich zu typischen Graphitanoden) hat zu einem gewissen Interesse an diesem Material geführt. Die Verwendung von Silizium anstelle von Graphit ist vorteilhaft, da es eine höhere Lithium-Ionen-Speicherkapazität hat und somit die Energiedichte der Batterie erhöhen kann. Silizium hat jedoch einen großen Nachteil: Es quillt und schrumpft dramatisch, wenn die Batterie geladen und entladen wird. In diesem Fall quillt die Anode auf, was in der Regel zu Rissen und schließlich zum Ausfall führt. Im Gegensatz dazu kann Graphit seine Struktur über die Dauer vieler Lade- und Entladezyklen hinweg beibehalten, was es für eine langfristige Anwendung haltbarer und zuverlässiger macht. Obwohl Anoden auf Siliziumbasis die Zukunft für Hochleistungsbatterien sein könnten, sind die meisten Anwendungen immer noch auf den guten alten Graphit angewiesen.

Graphitkathode vs. Anode

In einer Lithium-Ionen-Batterie sind die Rollen von Anode und Kathode vertauscht. Während des Ladens befinden sich die Lithium-Ionen an der Anode, während sie beim Entladen an der Kathode abgegeben werden. In der Praxis ist die Anode aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften hinsichtlich der Lithiumeinlagerung ein Graphit. Stattdessen werden andere Materialien in der Kathode - Lithium-Kobalt-Oxid oder Eisenphosphat, zum Beispiel -, die diese Ionen besser hereinlassen und wieder herausholen können. Um die Funktion der Batterie zu verstehen, muss man sich die Anode und die Kathode also nach ihrer Identität vorstellen.

Der Herstellungsprozess von Graphitanoden

Erstens muss das Rohmaterial Graphit gereinigt werden und Verunreinigungen wie Silizium, Eisen oder Sauerstoff extrahiert. Im nächsten Schritt wird Graphit mit Bindemitteln vermischt, um eine Paste herzustellen. Diese Paste wird dann auf eine Kupferfolie gewalzt, die als Stromabnehmer dient. Dieses Material wird dann getrocknet und so verdichtet, dass es eine gleichmäßige Dicke aufweist, nachdem die Füllschicht aufgetragen wurde. Die Anoden werden auf hohe Temperaturen erhitzt, damit sie ihre elektrochemischen Eigenschaften erhalten. Sie werden auf die erforderlichen Formen und Größen zugeschnitten und für den Einbau in Batterien vorbereitet.

Warum ist die Anode aus Graphit und nicht aus Stahl?

Stahl hat eine geringe Leitfähigkeit für Elektrizität, so dass Lithium nicht in Stahl eingelagert werden kann. Dies würde die Leistung der Batterie stark beeinträchtigen. Andererseits ist Graphit ein sehr guter Leiter und kann die Bewegung der Lithium-Ionen ohne allzu große Unterbrechung tolerieren. Graphit ist auch ein hervorragender Kandidat für Batterieanoden, wenn man sowohl das Gewicht als auch die chemische Stabilität/Korrosionsbeständigkeit berücksichtigt, und zwar mehr als Materialien wie Stahl.

Anwendungen von Graphitanoden

Graphitanoden werden nicht nur für Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Sie werden in elektrochemischen Reaktionen eingesetzt, z. B. bei der Wasserelektrolyse, bei der sie die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Graphit unterstützen. Graphitanoden werden auch in anderen Batterietypen (wie der Natrium-Ionen-Batterie) und bei der Energiespeicherung verwendet. Die Anode aus synthetischem Graphit ist ein Schlüsselmaterial für den Übergang zu erneuerbaren Energien, da sie es uns ermöglicht, die unstetige Natur erneuerbarer Energien wie Sonne und Wind zu speichern.