3.4 Elektrolyte

Der Elektrolyt hat im System die Aufgabe den Ionenfluss sicherzustellen. Er muss dazu Kontakt zu den Elektrodenoberflächen haben und den Separator durchdringen. Natürlich muss der Elektrolyt sich in dem Spannungsbereich der Zelle plus einer Reserve, also bis zu 4,5 V stabil verhalten. Es darf keinesfalls zu Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten kommen. Ebenfalls muss diese Stabilität über den gesamten Temperaturbereich, für welchen die Zelle spezifiziert ist, garantiert sein. Meist sind hier -45° C bis +80° C anzusetzen. Es werden drei Formen des Elektrolyten unterschieden:

  • flüssig, meist organischer Elektrolyt aus einem lithiumhaltigen Leitsalz mit nichtwässrigem Lösungsmittel (z.B. Kohlensäureester wie Ethylencarbonat oder Propylencarbonat)
  • polymerisiert, meist verbunden mit geringer Leitfähigkeit
  • fest, kaum eingesetzt, da die Leitfähigkeit zu gering ist und die Einbringung in die Zelle sehr schwierig ist

Elektrolytmatrix

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In der Praxis wird als Leitsalz in aller Regel Lithiumhexafluorophosphat Li+[PF6] eingesetzt. Der größte Nachteil dieser Substanz ist, dass im Brandfall giftiges Fluor als Gas frei wird, welches beim Kontakt mit (Lösch-)Wasser ebenfalls giftige Flusssäure bildet. Daher würde man diese Substanz gerne Substituieren. In der Praxis finden sich kaum andere Leitsalze mit annähernd gleichen Eigenschaften.

Eine weitere Funktion des Elektrolyten ist die Bildung der sogenannten „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI). In geeigneten Elektrolyten bildet sich eine für Elektronen isolierende Deckschicht auf der Anode aus, die sogenannte SEI, welche die Anode vor der korrodierenden Elektrolytlösung schützt und gleichzeitig für Lithium-Ionen durchlässig ist. Diese Schicht ist essentiell für den Einsatz von Lithium- bzw. Lithium-Ionen-Einlagerungsverbindungen in Primär- und Sekundärzellen. An der positiven Elektrode wird in diesem Zusammenhang eher von einer „Conductive Interphase“ gesprochen. Die Leistungsfähigkeit und Alterung einer Zelle ist abhängig von der Stabilität der SEI. Durch Lade- und Entladeprozesse wächst die Schicht und dadurch auch der Widerstand in der Zelle. Damit einhergehend sind ein Verlust von Lithium-Ionen bzw. Kathodenmaterial, sowie Elektrolyt und eine entsprechende Verringerung der Zellspannung und Ladungsmenge (Ah) verbunden. Um dies zu kompensieren, wird in der Regel ein Überschuss an Elektrolyt und Kathodenmaterial in der Zelle genutzt.