Eigenschaften der Graphit Elektrode
In handelsüblichen Lithium-Ionen-Sekundärakkumulatoren wird meistens Graphit als Anodenmaterial verwendet. Hierbei handelt es sich um eine Sonderform des Kohlenstoffs, welche über eine theoretische Kapazität von 372 mAh/g verfügt. Durch die Verwendung von Graphit sinkt das Risiko der Bildung von Dendriten sowie das damit verbundene Risiko eines Kurzschlusses oder einer Überhitzung der Zelle.
Die Gründe hierfür können anhand der Struktur des Graphits erläutert werden. Graphit bildet Atombindungen innerhalb einer Graphitschicht aus und kann deshalb nicht als ein reiner Atomkristall bezeichnet werden. Durch ein viertes Elektron, welches nicht an der Hybridisierung teilnimmt, entsteht der dreidimensionale Aufbau der Schichten des Graphits (Graphit besitzt vier Außenelektronen). Dieses Elektron befindet sich im Orbital und steht für weitere, nicht lokalisierbare π-Bindungen zur Verfügung. π-Elektronen sind nicht an ein bestimmtes Kohlenstoffatom gebunden und können sich deshalb frei in den planaren Graphitschichten bewegen. Sie dienen somit der elektrischen Leitung innerhalb der Schicht. Der Abstand der Kohlenstoffatome in dieser Schicht beträgt – von einem Kohlenstoffatom zum nächstgelegenen – 0,142 nm. Mit einer Länge von 0,3354 nm ist der Abstand der einzelnen Schichten zueinander mehr als doppelt so groß (ungeladener Zustand).
Interkalation in das Graphitgitter bzw. Elektrode
Aufgrund der oben genannten Eigenschaften ist das hexagonale Gitter des Graphits für die Interkalation von Li+-Ionen bestens geeignet. Beim elektrochemischen Interkalieren der Li+-Ionen schieben sich diese in die Van-der-Waals-Lücken zwischen den Kohlenstoffschichten, wodurch der Abstand der Schichten zueinander erweitert wird. Diese Vergrößerung des Abstandes zueinander ist allerdings gering (~ 9%), weshalb die dabei entstehende Struktur als formstabil gilt.
Ist es zu einer Interkalation der Lithium-Ionen ins Kristallgitter gekommen, wird diese Verbindung als Graphit-Interkalations-Verbindung bezeichnet (kurz: GIV, engl.: GIC für „graphite intercalation compound“).
Die Interkalation in das Kristallgitter des Graphits erfolgt nach folgender Gleichung:
Die sich ausbildenden Spannungsplateaus während eines vollständigen Lade- und Entladezyklus in einer Lithium/Graphit-Zelle sind im untenstehenden Diagramm dargestellt. Die Ausbildung der Stufen lässt sich anhand der Besetzung der Graphit-Schichten mit Lithium begründen. Je mehr Lithium-Ionen in das Wirtsgitter des Graphits interkalieren, desto geringer ist die gemessene Spannung der Halbzelle. Aus der Anzahl der eingelagerten Lithium-Ionen ergeben sich die unterschiedlichen Längen der Spannungsplateaus. Folglich ist das resultierende Plateau umso stärker ausgeprägt, je mehr Lithium-Ionen interkalieren oder deinterkalieren.
Die Speicherfähigkeit des Graphits ist folglich abhängig von der Anzahl an möglichen Gitterplätzen für Lithium-Atome. Daraus ergibt sich eine Limitierung der Einlagerung von Lithium-Ionen in das Graphitgitter (auch Wirtsgitter genannt) und somit eine Kapazitätsbegrenzung des Materials dar.