Wichtige Materialeigenschaften bei Energiespeicheranwendungen

Die elektrische Energietechnik ist der Bereich, der sich mit der Erzeugung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie durch verschiedene, miteinander verbundene Systeme befasst. Diese reichen von hydroelektrischen Staudämmen und ganzen städtischen Stromnetzen bis hinunter zu einfachen Batterien. Obwohl sorgfältige wissenschaftliche Überlegungen darüber angestellt werden, wie wir Strom in großem Maßstab erzeugen und verteilen, ist meist die Analytik selbst, die wir an Energiespeicherkomponenten durchführen müssen, weniger im Fokus.

Zu den Energiespeichern gehören Alkali-, Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien (Bleiakkumulator) sowie modernste Brennstoffzellen und Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs). Jedes dieser verschiedenen Speichermedien nutzt elektrochemische Reaktionen, um chemische Energie in Elektrizität umzuwandeln. Hierbei wird meist eine Kombination von Elektroden, Separatoren und Elektrolytlösungen verwendet.

Das Verständnis der relevanten Materialeigenschaften der aktiven Funktionswerkstoffe ist entscheidend für die Designoptimierung von Energiespeichern – wobei der Prozess äußerst komplex sein kann.

Li-Ionen-Energiespeicherung: Eine kurze Fallstudie

Denken Sie an Li-Ionen-Batterien, die typischerweise Lithiumlegierungen für positive Elektroden und Materialien auf Kohlenstoffbasis (u.a. Graphit) für negative Elektroden verwenden. Verschiedene Kombinationen werden auf der Grundlage ihrer Fähigkeiten zur Verbesserung von Ladezeiten, Energiedichte, Ausgangsleistung, Sicherheit, Haltbarkeit und anderen Schlüsselparametern ausgewählt. Die jeweils erhaltenen Leistungseigenschaften werden auch grundlegend durch die Wahl des zwischen Anode und Kathode enthaltenen – häufig flüssigen – Elektrolyten bestimmt.

Elektrolytische Lösungen sind ähnlich vielfältig und bestehen beispielsweise aus einer Auswahl von Lithiumsalzen in organischen Lösungsmitteln. Standarddesigns enthalten in der Regel auch eine Separatormembran, die den Elektronenfluss zwischen Anode und Kathode blockiert und gleichzeitig Ionenmobilität und -durchgang ermöglicht.

Die Optimierung von Li-Ionen-Energiespeichern erfordert eine grundlegende Charakterisierung der verschiedenen aktiven Materialien. Zu den kritischen Materialeigenschaften gehören:

  • Anoden-/Kathodenoberfläche, einschließlich Porengröße, -form und -verteilung, die die Batterielebensdauer und Ionentransportrate beeinflussen können.
  • Anodendichte, die in direktem Zusammenhang mit den häufig problematischen Be- und Entladevorgängen steht.
  • Separatorporosität, die für die Aufnahme des spezifischen Elektrolyten und den Ionentransfer zwischen der Anode und der Kathode unerlässlich ist.
  • Partikelgröße und -form der Elektrodenkomponenten, um ein optimales Zusammenspiel der einzelnen Bestandteile mit der Porengröße des Separators zu gewährleisten.
  • Zeta-Potential von elektrolytischen Lösungen, das ein wichtiger Indikator für die Leistung und Stabilität sein kann.

Dies ist eine kurze Übersicht einiger wichtiger Parameter beim Entwurf eines jeden Energiespeichertyps. Diese werden komplexer, und es müssen zusätzliche Überlegungen angestellt werden, wenn komplexere aktive Materialien und Zelldesigns in Betracht gezogen werden.

MOFs zum Beispiel sind poröse, aktive Materialien, die durch verknüpfende organische Moleküle Metallionen in eine poröse, dreidimensionale (3D) Struktur bringen. Diese einzigartige Morphologie resultiert in hohen spezifischen Oberflächen mit außergewöhnlichem Leistungsdichtepotenzial. Derzeit wird an der Funktionalisierung von MOFs für bestehende Batterietypen geforscht, was eine hohe Anzahl an Tests und Messungen erfordern wird, um eine optimale Kombination von Anodenmaterial und Elektrolytlösung zu bestimmen.

Energiespeicheranalyse bei der Particle Testing Authority (PTA)

Die Particle Testing Authority ist einer der weltweit führenden Anbieter von analytischen Tests zur Charakterisierung von wichtigen aktiven Materialien für Anwendungen in Energiespeichern. Dieser Artikel ist eine kurze Einführung in die komplexe Welt der Materialcharakterisierung und des Designs für bestehende und neue Batterietypen. Der Umfang dieses herausfordernden Bereichs stellt für uns eine interessante Aufgabe dar, da wir voll ausgestattet sind, um zahlreiche Techniken zur Charakterisierung und Analyse von Energiespeichern in großem Maßstab anbieten zu können.

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