Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien, auch als Li-Ion-Batterien bekannt, sind eine Art sekundärer (wiederaufladbarer) Batterien, die aus Zellen bestehen, in denen Lithiumionen während der Entladung durch ein Elektrolyt vom Anoden- zum Kathodenbereich und beim Laden zurückbewegt werden. Diese Batterien bieten mehrere spezifische Vorteile, wobei die wichtigsten ihre hohe Zellenspannung, hohe Energiedichte und das Fehlen eines Memory-Effekts sind.

Struktur und Materialien

Die Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einem zusammengesetzten Material (einem interkalierten Lithiumverbindung) und definiert den Namen der Li-Ionen-Batteriezelle. Die Anode wird üblicherweise aus porösem lithiiertem Graphit hergestellt. Das Elektrolyt kann flüssig, polymer oder fest sein. Der Separator ist porös, um den Transport von Lithiumionen zu ermöglichen und um einen Kurzschluss und thermisches Durchgehen der Zelle zu verhindern. Die Chemie, Leistung, Kosten und Sicherheitsmerkmale variieren je nach Art der Lithium-Ionen-Batterien.

Typen und Verwendung

Handheld-Elektronik verwendet meist Lithium-Polymer-Batterien (mit einem Polymergel als Elektrolyt), einem Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) Kathodenmaterial und einer Graphitanode, die eine hohe Energiedichte bieten. Eine der gängigsten Zelltypen ist die 18650-Batterie, die in vielen Laptop-Computerbatterien, kabellosen Elektrowerkzeugen, bestimmten Elektroautos, Elektro-Tretrollern, den meisten E-Bikes, tragbaren Powerbanks und LED-Taschenlampen verwendet wird. Die Nennspannung beträgt 3,7 V.

Es ist wichtig, nicht wiederaufladbare primäre Lithiumbatterien (wie Lithium-Knopfzellen CR2032 3V) von sekundären Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymerbatterien zu unterscheiden, die wiederaufladbar sind. Primäre Lithiumbatterien enthalten metallisches Lithium, was bei Lithium-Ionen-Batterien nicht der Fall ist.

Anwendungen in der Elektronik

Die häufigste Li-Ion-Typ in kleinen Verbraucherelektronikgeräten (Laptops, Handys) ist Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) aufgrund seiner hohen spezifischen Energie. Tesla Motors verwendet Laptop-große LCO-Zellen in ihren Elektrofahrzeugen (EVs), kombiniert mit einem Flüssigkeitskühlsystem. Allerdings verhindern die geringe spezifische Leistung und Lebensdauer dieses Typs, dass sie eine gute Wahl für EVs sind.

Alternativen und Sicherheit

Im Gegensatz dazu erlebt Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4/LFP) keinen thermischen Durchgang und hat fast keine Brandgefahren, da bei hohen Temperaturen kein Sauerstoff freigesetzt wird. LiFePO4-Zellen haben eine gute Lebensdauer, niedrige Kosten pro Ah und kW, gute Leistungsfähigkeit und sind extrem sicher, aber die spezifische Energie ist niedrig und die Leistung bei niedrigen Temperaturen schlecht.