Ioneneinschub

Ioneneinschub, oft als ion intercalation bezeichnet, ist ein Prozess in der Materialwissenschaft, bei dem fremde Ionen in die Schichträume oder Rillen eines Wirtskristalls eingefügt werden, ohne das Grundgerüst des Wirks stark zu zerstören. Der Vorgang ist in der Regel reversibel, sodass die Ionen wieder aus dem Material entfernt werden können. Dadurch kann das Material als geladene Speicherschicht oder als elektrochemisch aktives Element genutzt werden.

Der Mechanismus beruht darauf, dass Ionen aus einem Elektrolyten durch den Grenzfilm oder das Gefüge hindurch diffundieren und in Zwischenlagen des Wirtsgitters eindringen. Dort ändern sich die Oxidationszustände des Wirtsmaterials, was zu einer Ladungstransferreaktion führt. Die Diffusion der Ionen und eventuelle Solvathülleingebunde (Co-Interkalation) beeinflussen Geschwindigkeit und Kapazität der Reaktion. Die Größe und Form des Wirtsgitters bestimmen, welche Ionenarten und -konzentrationen eingeführt werden können.

Typische Wirtsmaterialien sind schichtartige Strukturen wie Graphit, Übergangsmetallchalcogenide (zum Beispiel MoS2), V2O5, Schichtdoppelhalogenide und verschiedene Mn-O-Typen. Eingesetzte Ionenarten umfassen Li+, Na+, Mg2+ und andere Ionen, abhängig vom gewünschten Anwendungsfeld. Anwendungen finden sich vor allem in Energiespeichern (Batterien und Superkondensatoren), in elektrochromischen Geräten (z. B. Wolframoxid-Werksstoffe), sowie in Sensoren und Katalyse.

Herausforderungen umfassen Volumenänderungen während des Einschubs, Diffusionsbarrieren, Elektrolyt- und Grenzschichtstabilität sowie zyklische Stabilität. Fortschritte zielen auf schnellere Reaktionen, Mehr-Elektronen-Interkalation mit Mehrfachwerten und den Einsatz fester Elektrolyte ab.