Elektrolyte sind feste, flüssige oder gelartige Stoffe, die bewegliche Ionen bereitstellen und transportieren können. Ihre Ionenleitfähigkeit unterscheidet sie von Leitern, in denen der Strom überwiegend durch Elektronen getragen wird.
Welche Aufgabe hat ein Elektrolyt?
In einer elektrochemischen Zelle bildet der Elektrolyt das ionenleitende Medium zwischen den Elektroden. Er nimmt Ionen auf, gibt sie ab oder ermöglicht ihre Bewegung. Dadurch können die räumlich getrennten Reaktionen an Anode und Kathode miteinander gekoppelt werden.
Diese Funktion ist unter anderem für Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen wesentlich. Welcher Elektrolyt verwendet wird, richtet sich nach Zellchemie, Spannung, Temperaturbereich, Leitfähigkeit und dem vorgesehenen Aufbau.
So schließt sich der Stromkreis
Elektronen und Ionen übernehmen unterschiedliche Teile des Ladungstransports. Im äußeren Stromkreis bewegen sich Elektronen durch die angeschlossenen elektrischen Leiter. Innerhalb der Zelle erfolgt der Ladungsausgleich dagegen durch positiv oder negativ geladene Ionen im Elektrolyten.
Elektrodenreaktion
An den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt laufen chemische Reaktionen ab, bei denen Ladungen übertragen werden.
Ionentransport
Kationen und Anionen wandern durch den Elektrolyten und gleichen die Ladungsverteilung innerhalb der Zelle aus.
Elektronenfluss
Außerhalb der Zelle fließen Elektronen durch den Leiter. Ionentransport und Elektronenfluss bilden gemeinsam den geschlossenen Stromfluss.
Flüssig, gelartig oder fest
Flüssige Elektrolyte können eine hohe Ionenbeweglichkeit bieten und werden in vielen konventionellen Zellen eingesetzt. Gelartige Systeme binden die Flüssigkeit in einer Matrix. Dadurch lassen sich die Formstabilität erhöhen und ein Austreten der Flüssigkeit begrenzen.
Festelektrolyte leiten Ionen in einem festen Material. Sie kommen unter anderem in Festoxid-Brennstoffzellen, Feststoffbatterien und Dünnschichtbatterien zum Einsatz. Ein Werkstoff für Dünnschichtzellen ist Lithium-Phosphor-Oxynitrid, kurz LiPON.
Bei Natrium-Schwefel-Akkus kann eine keramische Membran aus Aluminiumoxid sowohl Ionenleiter als auch Trennelement sein.
Elektrolyt und Separator sind nicht dasselbe
Der Elektrolyt übernimmt die Ionenleitung. Ein Separator hält die Elektroden räumlich auseinander und soll einen direkten elektrischen Kontakt verhindern. Je nach Zellenaufbau können diese Aufgaben von getrennten Komponenten oder teilweise von einem festen Material erfüllt werden.