Die Lithium-Ionen batterien

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Lithium Ionen Batterie
Lithium-Ionen Batterien & Akkus
Aufbau der Lithium-Ionen Batterie

Lithium-Ionen Batterien LIB - Lithium-Ionen Akku
(sekundär, wiederaufladbar)

Ohne Lithium-Ionen Batterien, kurz LIB, Li-Ionen, oder «Lithium-Ionen» Akku, die zu den Metallionen-Batterien zählen, wäre ein Erfolg der Elektromobilität, Elektroautos und portabler elektrischer Geräte wie Notebooks und Mobiltelefone gar nicht denkbar. Sie haben im weltweiten Batteriemarkt seit Jahren hohe Wachstumsraten.

Schon die Lithium-Ionen Technologie jetzt machen Batterien zum umweltfreundlichsten Kraftstoff für Elektroautos.

Aufbau der Lithium-Ionen-Batterie (LIB)

Kein Batterietyp ist so vielfältig wie Lithium-Ionen Batterien. Es gibt dutzende aktive Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. 

Je nachdem welche Materialien man als Anode und Kathode kombiniert, ergeben sich Batterien, die für unterschiedliche Anwendungen besser oder schlechter geeignet sind. Es ist deshalb wichtig, den Typ genau zu klassifizieren, wenn man von einer Lithium-Ionen-Batterie spricht. 

So ist es aufschlussreich, das Kathoden- und Anoden-Material zu nennen – etwa NMC 811 Graphit oder LFP LTO – und weitere besondere Komponenten – etwa, wenn ein Festkörperelektrolyt , einem Gelelektrolyt, oder Polymerelektrolyt, statt eines flüssigen Elektrolyts verwendet wird.

Aufbau der Lithium-Ionen Batterie
Aufbau der Lithium-Ionen Batterie

Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie?

Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie? Im folgenden Video ist die Funktionsweise eine Lithium-Ionen Batterie einfach verständlich erklärt.

Aktive Elektroden-materialien in der Lithium-Ionen-Batterie (LIB)

Aktive Kathodenmaterialien

Mehr zu den aktiven Kathodenmaterialien >>

LIB-Kathoden bestehen aus einem Stromabnehmer «current collector» (oft Aluminium-Folien), auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist, in dem der Strom gespeichert wird. Verschiedene dieser Aktivmaterialien sind im Folgenden beschrieben.

  • Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) als aktives Kathodenmaterial mehr LCO >>
  • Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMS) als aktives Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mehr zu LMS >>
  • Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NMC oder NCM) als aktives Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mehr zu NMC >>
  • Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) als aktives Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mehr zu LFP  >>
  • Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als aktives Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mehr zu NCA>>

Aktive Anodenmaterialien

LIB-Anoden bestehen aus einem Stromabnehmer «current collector» (oft Kupfer-Folien), auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist, in dem der Strom gespeichert wird. Verschiedene dieser Aktivmaterialien sind im Folgenden beschrieben.

Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien (LIB)

Weil Lithiummetall mit Wasser heftig reagiert, werden meist wasserfreie Lithiumsalze (meist LiPF6) in organischen Lösemitteln als Elektrolyt ein LIB eingesetzt. Ihm werden zudem oft Additive zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern – etwa um die Elektrode besser mit dem Elektrolyten zu benetzen.

Viel Forschungsarbeit konzentriert sich derzeit darauf, Elektrolyte zu entwickeln, die höheren Spannungen als den üblichen 3,6 V Stand halten: bis 4,4 V und höher. 

Manche Elektroden (z. B. NMC 622) lassen sich dann bei höheren Spannungen betreiben. Das hat zwei Vorteile: Es lässt sich die Kapazität der Batterie steigern, weil mehr Lithium gespeichert werden kann. 

Und je höher die verfügbare Spannung in einer Zelle ist, desto weniger Zellen müssen in Reihe geschaltet werden, um eine hohe Spannung in einer Batterie zu erreichen.

 Da Reihenschaltungen immer nur so stark sind, wie ihr schwächstes Glied, sind diese anfälliger für Alterungserscheinungen.

Ebenso wird versucht, Festkörperelektrolyte zu entwickeln. Diese bringen – in der Theorie – einige Vorteile mit sich.

Man hofft, dass Zellen mit solchen Elektrolyten bei Unfällen oder fehlerhafter Behandlung nicht in Brand geraten, da diese ohne brennbare Lösungsmittel enthalten und sie Lithium-Ionen-Batterien zu wesentlich längeren Lebensdauern und einer geringeren Temperaturempfindlichkeit verhelfen. 

Die Sicherheit wird erhöht, weil solche Batterien nicht auslaufen können. Eines der grössten Probleme der Festkörperelektrolyte stellt derzeit die Grenzschicht zum Aktivmaterial dar. Dort darf kein hoher Widerstand herrschen und bei Volumenveränderungen in den Elektroden darf der Kontakt zum Elektrolyten nicht verloren gehen.

Was sind die Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterien (LIB)?

Die im Folgenden genannten Vor- und Nachteile von LIB beziehen sich auf diesen Batterietyp im Allgemeinen. Je nachdem wie man die vielen verschiedenen Materialien, die zum Bau einer LIB zur Verfügung stehen, kombiniert, treten manche Vor- und Nachteile weniger oder deutlicher hervor.

Was sind die Vorteile?

Sehr hohe Energiedichten (ungefähr viermal höher als die von Bleibatterien) durch hohe Zellspannungen: bis zu 3,7 V Nennleistung. Eine Lithium-Ionen-Zelle kann drei NiCd- oder NiMH-Zellen, die nur 1,2 V leisten, ersetzen. 

Viele Wissenschaftler versuchen derzeit, noch höhere Zellspannungen zu ermöglichen. Hohe Zellspannungen bedeuten, dass weniger Zellen sowie weniger Verbindungen zwischen den Zellen und Elektronik benötigt werden, um Hochspannungsbatterien herzustellen. Das macht die Batterie leichter im Gewicht und weniger anfällig.

Die Batterien können fast komplett entleert werden, ohne die Zyklusdauer, die Lebensdauer oder die Hochstromabgabe zu beeinflussen. Lithium-Ionen haben sehr geringe Selbstendladungsraten (3 bis 5 Prozent pro Monat, kann die Elektrizität bis zu zehn Jahre lang speichern und hat daher einen sehr hohn coulomb’scher Wirkungsgrad (Entlade-/Ladekapazität fast 100 Prozent). Man kann also nahezu den gesamten Strom, den man in eine LIB geladen hat, wieder entnehmen.

Nahezu kein Memory-Effekt, keine Aufarbeitung oder vollständige Entladung und Beladung nötig, um den Lebenszyklus beizubehalten Variationen der grundlegenden Zellenchemie (z. B. der verschiedene Anoden– und Kathodenmaterialien) erlauben das Verfeinern der Leistungseigenschaften, um bestimmten Anwendungen gerecht zu werden auch winzige Batterien erhältlich: Elektrodenmaterial und Keramikelektrolyten können auf feste (Aluminiumoxid/Silica) oder flexible (Acrylfaser) Substrate gesprüht werden, um hohe Energiedichten und dünne Flachbatterien herzustellen.

Gibt es Nachteile?

Empfindlichkeit gegenüber Tiefentladung, Überladung und zu hohen Temperaturen. In der Praxis ist dies allerdings selten ein relevantes Problem, da viele LIB bereits eine Steuerelektronik in den Konsumendgeräten, in denen sie verwendet werden, integriert haben, die alle äusseren negativen Einflüsse abschirmt. Nutzt man allerdings LIB ohne entsprechende Elektronik, sollte man unbedingt darauf achten, diese nur mit speziellen, für genau diesen LIB-Typ vorgesehenen Ladegeräten zu laden.

Relativ hohe Empfindlichkeit gegen hohe oder niedrige Temperaturen: Die ideale Betriebstemperatur liegt zwischen etwa 10 und 40 °C. Gerade bei tiefen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt lässt die Leistung der LIB stark nach. Es gibt allerdings auch LIB, die speziell für niedrige Temperaturen bis -40 °C konzipiert sind, allerdings nur mit eingeschränkten Entladeströmen.

Was sind die Anwendung der Lithium-Ionen-Batterien (LIB)?

LIB eignen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte hervorragend für portable und mobile Anwendungen. In Handys, Drohnen, Laptops und Tablets wird nahezu keine andere Technologie mehr eingesetzt. Bei Power-Tools (Elektrowerkzeuge) und Elektrofahrrädern werden die Marktanteile ständig grösser. In Elektro-Autos werden kaum andere Batterie-Typen eingesetzt. Zunehmend werden LIB als stationäre Speicher attraktiv – etwa als Heimspeicher, um den erzeugten Strom aus Photovoltaikanlagen PV  (Solaranlagen) zwischenzuspeichern. Die nächsten Generationen von Hochenergie – LIBs bedienen auch die Luftfahrtindustrie & die elektrische Aviatik und die E-Mobilität 4.0 bedienen. Swissbattery.com entwickelt z.Z. eine neue Lithium-Technologie für aerial vehicles der nächsten Generation.

Literatur & Referenzen

  1. Nitta, N., et al., Li-ion battery materials: present and future. Materials Today, 2015. 18(5): p. 252-264 >> link
  2. Kim, T., et al., Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies. Journal of Materials Chemistry A, 2019. 7(7): p. 2942-2964
  3. Li, M., et al., 30 Years of Lithium-Ion Batteries. Advanced Materials, 2018. 30(33): p. 1800561
  4. Korthauer, R., Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Springer Link, 2013 >> link
  5. Lithium-Ionen Akkumulator, Wikipedia >> link

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