Kathodenmaterial

Kathodenmaterial bezeichnet in der Elektrochemie das aktive Material der positiven Elektrode eines elektrochemischen Bauteils, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie. Während der Entladung erfolgt überwiegend eine Redoxreaktion am Kathodenmaterial, wodurch Lithium-Ionen in das Material aufgenommen werden und Elektronen freigesetzt werden. Das Kathodenmaterial bestimmt Energiedichte, Spannungsbereich, Zyklenstabilität und Sicherheitsaspekte.

In Lithium-Ionen-Batterien kommen verschiedene Kathodenstoffe zum Einsatz. Weit verbreitet ist Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), das hohe Kapazitäten bietet, aber kostspielig ist und Sicherheitsbedenken sowie Ressourcenabhängigkeiten mit sich bringt. Weitere gängige Systeme sind Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) mit hoher thermischer Stabilität, Lithiumnickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC, LiNiMnCoO2) und Lithiumnickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (NCA, LiNiCoAlO2). Spinelle wie LiMn2O4 sowie Lithium-Mangan-Oxide und Li-rich Layered Oxide gehören ebenfalls zu häufig genutzten Kathodenmaterialien.

Wesentliche Eigenschaften sind Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Temperaturstabilität und Verträglichkeit mit dem Elektrolyten. Hochkapazitive Materialien wie hochnickelige NMC oder NCA bieten höhere Kapazitäten, leiden aber oft unter geringerer Stabilität. Sicherheitsaspekte betreffen Nebenreaktionen, Oxygen-Freisetzung bei hohen Spannungen und Metallablösung. Cobalt- und kostenseitige Abhängigkeiten treiben Forschungs- und Fördermaßnahmen.

Design und Leistung hängen von der Kristallstruktur ab. Gedacht werden Schichtstrukturen, Spinell- oder Olivinstufen, welche Li+-Diffusion ermöglichen. LCO liefert hohe Kapazität, ist aber thermisch weniger stabil. LiFePO4 ist stabiler und sicherer, hat jedoch niedrigere Energiedichte. Durch Dotierung, Oberflächenbeschichtung und feine Partikelgrößen lassen sich Stabilität und Leitfähigkeit verbessern.

Herstellung erfolgt typischerweise durch Lösungsmittel-basierte Verfahren wie Co-Prezipitation oder Hydrothermalsynthese, gefolgt von Filtration, Vernetzung und Sintern. Die Leistungsbewertung erfolgt durch Kapazität, Spannungsprofil, Rate-Fähigkeit und Zyklenfestigkeit. Die Wahl des Kathodenmaterials hängt von Anwendungsfall, Kosten, Sicherheit und Nachhaltigkeitsaspekten ab.