Kathodenmaterialien

Kathodenmaterialien sind chemische Verbindungen, die in elektrochemischen Energiespeichern als Kathode dienen. In Lithium-Ionen-Batterien bilden sie das Material, in dem Li+-Ionen während des Lade- und Entladeprozesses interkalieren und die Übergangsmetallionen redox-reaktionen durchlaufen. Die Eigenschaften der Kathodenmaterialien bestimmen Betriebsspannung, Kapazität, Zyklenstabilität, Sicherheit, Kosten und Umweltbilanz des Batteriesystems.

Zu den wichtigsten kommerziellen Kathodenmaterialien gehören layered-oxides wie LiCoO2 (LCO), Mischoxide LiNixMnyCozO2 (NMC) und LiNiCoAlO2 (NCA), sowie LiMn2O4-Spinel und LiFePO4 (LFP) mit Olivin-Struktur. LiCoO2 bietet hohe Energiedichte, ist aber kosten- und sicherheitsrelevant aufgrund des Kobalts. LFP ist robust, kostengünstig und sicher, liefert jedoch geringere spezifische Energie. NMC- und NCA-Kathoden liefern hohe Energiedichte, benötigen jedoch sorgfältiges Mischungsverhältnis von Ni, Mn, Co bzw. Al und verursachen Nachhaltigkeits- und Kostendruck. Zusätzlich wird LiMn2O4 aufgrund seiner guten Sicherheitscharakteristika eingesetzt, weist aber bei hohen Temperaturen Kapazitätsverluste auf. In der Forschung gewinnen auch kohlenstoffarme, cobalt-freie oder polyanionische Strukturen an Bedeutung, ebenso hochvoltbetriebliche Kathoden.

Typische Leistungskennzahlen umfassen spezifische Kapazität, durchschnittliche Betriebsspannung, Energie- und Leistungsdichte, Zykluslebensdauer und Temperaturstabilität. Wichtige Designprinzipien sind Sicherheits- und Kostenaspekte, Umweltverträglichkeit, sowie Kompatibilität mit Elektrolytmaterialien und Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung der Haltbarkeit und des Hochvoltverhaltens.

Herausforderungen umfassen Kosten- und Rohstoffsorgen (insbesondere Kobalt), Sicherheitsaspekte bei Hochvoltbetrieb, sowie Recycling und Nachhaltigkeit. Forschungsrichtungen zielen auf cobalt-freie Materialien, höhere Spannungen, verbesserte Stabilität und effektives Recycling der Kathodenbestandteile ab.