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Lithium Batterie



Eigenschaften

 

Eigenschaften der Lithium Batterie

Lithium ist das Alkalimetall mit dem kleinsten Atomgewicht und steht mit seinem Standard-Gleichgewichtspotential von -3,045 V am Ende der elektrochemischen Spannungsreihe. Als negatives Elektrodenmaterial bietet Lithium die Voraussetzung für hohe Speicherkapazitäten.

Als Elektrolyte werden wasserfreie, organische Lösungsmittel mit Leitsalzen eingesetzt. Bei Verwendung von metallischem Lithium als Anode lassen sich solche Zellen nicht sekundär auslegen, da sich beim Laden die ursprüngliche Form der Elektrode nicht wiederherstellen läßt. Infolge von Deckschichtbildung auf der Elektrodenoberfläche kann es zum Dendritenwachstum kommen, was dann zu elektrischem Kurzschluß in der Zelle führt. Dieses Problem ließe sich mit einer homogenen, ionisch und elektrisch leitfähigen Deckschicht gleicher Dicke beheben, auf deren Oberfläche eine gleichmäßige Lithiumabscheidung erfolgt, was aber kaum realisierbar ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Festelektrolyte zu verwenden, die das Dendritenwachstum verhindern und/oder gänzlich auf die Nutzung von metallischem Lithium als Elektrodenmaterial zu verzichten, und statt dessen spezielle Kohlenstoff- oder Graphitsorten einzusetzen. Die Lade- und Entladereaktion einer solchen sekundären Zelle besteht lediglich in einem Transfer von Lithium-Ionen zwischen zwei Einlagerungselektroden, in denen Lithium ein unterschiedliches Potential hat, so daß sich zu keiner Zeit metallisches Lithium in der Zelle befindet. Aus diesem Grund werden solche Batterien auch als Swing-Batterien bezeichnet. Die erreichbare Cyclenzahl ist von den jeweiligen Volumenänderungen der Wirtsmaterialien beim Ein- und Auslagern von Lithium abhängig. Je nach der Größe der Volumenveränderung wird der Wirt mechanisch beansprucht, was im ungünstigsten Fall zu seiner Zerstörung führen kann. Bei der graphitischen negativen Elektrode sind die Volumenänderungen ausreichend klein (ca. 10%), so daß mehr als 1000 vollständige Cyclen erzielt werden können. Auch mit den gängigen Oxiden LiCoO2 und LiNiO2 (jeweils mit Schichtstruktur) und mit LiMn2O4 (mit Spinellstruktur) für die positive Elektrode sind ähnliche Cyclenzahlen erreicht worden, da nur eine sehr geringe Volumenänderung (ca. 5%) vorliegt. Allerdings ist nur 2 Li pro Übergangsmetall reversibel überführbar, denn mit zunehmender Delithiierung während des Ladevorganges steigt die Oxidationskraft der Oxide, wodurch eine Zersetzungsreaktion mit dem verwendeten Elektrolyten dominierend werden kann.

Eine große Bedeutung kommt vor allem bei sekundären Lithium-Zellen dem Elektrolyten zu. Da Batterien mit flüssigen Elektrolyten ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen, wurden schon frühzeitig feste Elektrolyte eingesetzt. Damit sind die Zellen auslaufsicher, benötigen keinen Separator zwischen den Elektroden und lassen sich in beliebigen Formen herstellen. Einen solchen festen Elektrolyten stellt im einfachsten Fall z.B. Poly(ethylenoxid) (PEO) dar. Polymerfestelektrolyte besitzen aber bei Raumtemperatur nur geringe Leitfähigkeiten, womit sich eine Modifizierung dieser Materialien erforderlich macht.

Über eventuell nicht ausreichend vorhandene Lithiumvorkommen braucht man sich wohl keine Gedanken zu machen, die zur Zeit bekannten Vorräte sind ausreichend, um 2 Billionen Elektroautos mit Lithiumbatterien anzutreiben, 4 mal mehr als 1996 weltweit zugelassen. Dazu müßte die momentane Weltproduktion von 10000 t allerdings um das 13fache erhöht werden.

Technische Daten von Lithium-Akkumulatoren

Lithium-Ion
Lithium-Polymer
Elektrolyt
hochreine, wasserfreien, organischen Lösemitteln  Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC) in denen Leitsalze wie LiClO4, LiBF4, LiPF6, gelöst sind, Zusätze von niedrigviskosen Lösungsmitteln wie 1,2-Dimethoxyethan (DME), Dimethylcarbonat (DMC) erhöhen die Ionenbeweglichkeit und entsprechend die Leitfähigkeit.
als Elektrolytträger werden z.B. Polyethylenoxid (PEO), Poly-Phenylen-Plastic (PPP), Polyvinylidendifluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-HFP) und Polymere mit molekular gebundenen Festionen eingesetzt
Leitfähigkeit (20 °C)
ca. 2 bis 5 mS/cm
ca. 0,05 bis 0,5 mS/cm
Leerlaufspannung
4,2 V
4,2
Nennspannung
3,6 V
3,6
Entladeschlussspannung
2,5 V
2,7
Energiedichte (Gewicht)
(theoretisch 631 Wh/kg
(Li(C) / LiCoO2)
90 bis 160 Wh/kg
130 - 144 Wh/kg
Energiedichte (Volumen)
200 bis 300 Wh/l
230 – 410 Wh/l
Selbstentladung bei 20°C / Monat
5 bis 10% /Monat, zu Beginn ca. 0,5%/Tag
2 bis 8% /Monat
Mögliche Zyklen
500 bis 1200
500 bis 1000
Lagerfähigkeit
5-10 Jahre
5-10 Jahre

Vorteile

  • Hohe Energiedichte - Potential für noch höhere Kapazitäten ist vorhanden
  • Verhältnismässig kleine Selbstentladung - die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte jener auf Nickel basierenden Batterien.
  • Keine Wartung - da kein Memoryeffekt besteht, wird keine regelmässige Entladung benötigt.

Grenzen

  • Benötigt eine eingebaute Schutzschaltung, um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimiten zu halten.
  • Ist der Alterung unterworfen, auch wenn sie nicht geladen oder entladen wird - Lagern der Batterie in einem kühlen Raum bei einer 40%-Ladung reduziert diesen Alterungseffekt.
  • Entladestrom ist moderat - nicht verwendbar für sehr starke Belastung



Primäre Lithium Batterie Systeme

Lithium / SO2 Anode: Lithium; Kathode: SO2(g); Elektrolyt: LiBr in Acetonitril
(-40 bis 70°C; lange Lebensdauer, hohe Energiedichte)
Lithium / SOCl2 Anode: Lithium; Kathode: Graphit; Elektrolyt: Lithium-Salz in SOCl2
(kann auf Energieinhalt bzw. Power optimiert werden; für höhere Temperaturen besser geeignet, sehr geringe Selbstentladung (10 Jahre))
Lithium / LiMnO2 Anode: Lithium; Kathode: MnO2; Elektrolyt: Lithium-Salz in EC, PC, DMC, usw.
(Deutlich verbesserte Sicherheit, max. Spannung 3 V, Pulsbelastbar, -20 bis 70°C; geringe Selbstentladung
Lithium / CFx Anode: Carbon Monofluorid; Kathode: Lithium; Elektrolyt: LiBF4 in PC, DMC
hohe Energiedichte, Spannung 3 V, -40 bis 85°C)

  • Einschränkung bei Transporten -Vverschiffen von größeren Mengen nur unter bestimmten Auflagen. Diese Einschränkungen beziehen sich nicht auf persönlich mitgeführte Batterien.
  • Aufwendig in der Herstellung - ca. 40% höhere Herstellungskosten als bei Nickel-Kadmium

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