Merkmale von Lithium-Metall-Batterien
Lithium-Metall-Batterien, auch bekannt als Lithium-basierte Primärzellen, sind nicht wiederaufladbare Batterien, die metallisches Lithium als Anode verwenden. Sie zeichnen sich durch die niedrigste Selbstentladerate aus, was zu einer extrem langen Lagerfähigkeit von bis zu 10 Jahren bei Temperaturen bis zu 70 Grad Celsius führt.
Arten von Lithium-Metall-Batterien
- Lithium-Mangandioxid-Zelle: Diese Batterien sind weit verbreitet und bieten eine hohe Energiedichte.
- Lithium-Eisendisulfid-Zelle: Sie sind bekannt für ihre Verwendung in leistungsstarken AA-Batterien.
- Lithium-Thionylchlorid-Zelle: Diese Zellen zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer aus.
- Lithium-Luft-Zelle: Sie sind eine neuere Entwicklung mit hohem Potenzial für zukünftige Anwendungen.
Chemische Reaktionen
Die Gesamtreaktion in einer Lithium-Mangandioxid-Zelle lässt sich folgendermaßen darstellen:
\(Li(s) + MnO_2(s) \rightleftharpoons MnO_2(Li^+) \) [E° = +3.19 V]
Unterscheidung zu Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Metall-Batterien sind von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien zu unterscheiden, die wiederaufladbar sind und kein metallisches Lithium enthalten.
Kennzeichnung und Normen
Die erste Ziffer im IEC-Standard kennzeichnet die chemische Zusammensetzung der Batterie. Beispielsweise steht „C“ für Lithium-Metall-Batterien (wie CR2032).
Eigenschaften von Lithium als Elektrodenmaterial
Lithium ist weich und formbar und kann zu dünnen Folien extrudiert werden. Es hat ein niedriges Elektrodenpotenzial und eine sehr hohe Leitfähigkeit, was es zu einem ausgezeichneten Material für Hochenergiebatterien macht.
Klassifizierung nach Kathodenmaterial und Spannung
Lithium-Metall-Batterien können nach dem Kathodenmaterial und der Spannung klassifiziert werden. Einige gängige Beispiele:
- Batterien mit Eisendisulfid-Kathode und einer Nennspannung von 1,5 Volt.
- 3,0-Volt-Systeme mit Kathoden aus festen Stoffen wie Mangandioxid oder flüssigen, hochgiftigen Substanzen wie Thionylchlorid.
Wichtige Parameter von Lithium-Metall-Batterien
Zellenspannung
Die Spannung elektrischer Batterien entsteht durch den Potentialunterschied der Materialien, die die positiven und negativen Elektroden bilden. Bei einer Lithium-Mangandioxid-Zelle beträgt die Zellenspannung 3V.
Abschaltspannung
Die Abschaltspannung ist die minimal zulässige Spannung einer Batterie. Bei der CR2032-Batterie liegt die Nennspannung bei 3,0 V und die Abschaltspannung bei 2,0 V.
Kapazität
Die koulometrische Kapazität ist die Gesamtamperestundenkapazität, die verfügbar ist, wenn die Batterie mit einem bestimmten Entladestrom von 100% SOC bis zur Abschaltspannung entladen wird. Die typische Kapazität der CR2032-Batterie liegt im Bereich von 210-230 mAh.
C-Rate der Batterie
Die C-Rate gibt an, wie schnell eine Batterie im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität entladen oder geladen wird. Eine 1C-Rate bedeutet, dass der Entladestrom die gesamte Batterie in einer Stunde entlädt.
Selbstentladung
Batterien entladen sich allmählich selbst, auch wenn sie nicht angeschlossen sind und keinen Strom abgeben. Dies ist auf nicht-stromerzeugende „Neben“-chemische Reaktionen zurückzuführen, die innerhalb der Zelle stattfinden, auch wenn keine Last anliegt. Die jährliche Selbstentladungsrate der CR2032-Batterie bei Raumtemperatur und normaler Luftfeuchtigkeit liegt bei weniger als 1% der Nennkapazität.
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