Lithium-Ionen-Batterien: Ein Überblick
Lithium-Ionen-Batterien, auch bekannt als Li-Ion-Batterien, sind eine Art von wiederaufladbaren Sekundärbatterien. Sie bestehen aus Zellen, in denen Lithiumionen während der Entladung von der Anode durch einen Elektrolyten zur Kathode und beim Laden wieder zurück bewegt werden.
Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien
Die wichtigsten Vorteile dieser Batterien sind ihre hohe Zellspannung, hohe Energiedichte und kein Memory-Effekt. Lithium-Ionen-Batterien finden Verwendung in vielen Laptop-Akkus, kabellosen Elektrowerkzeugen, bestimmten Elektroautos, elektrischen Tretrollern, den meisten E-Bikes, tragbaren Powerbanks und LED-Taschenlampen. Die Gesamtreaktion während der Entladung lautet: C6Li + CoO2 ⇄ C6 + LiCoO2.
Aufbau und Materialien von Lithium-Ionen-Batterien
Die Kathode besteht aus einem Verbundmaterial (einem interkalierten Lithiumverbindung) und definiert den Namen der Li-Ion-Zelle. Die Anode wird normalerweise aus porösem lithiertem Graphit hergestellt. Der Elektrolyt kann flüssig, polymer oder fest sein. Der Separator ist porös, um den Transport von Lithiumionen zu ermöglichen und Kurzschlüsse sowie thermisches Durchgehen zu verhindern.
Chemie und Performance
Chemie, Leistung, Kosten und Sicherheitsmerkmale variieren je nach Art der Lithium-Ionen-Batterien. Handheld-Elektronik nutzt meist Lithium-Polymer-Batterien (mit einem Polymergel als Elektrolyt), eine Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) Kathodenmaterial und eine Graphitanode, die eine hohe Energiedichte bieten. Die Nennspannung beträgt 3,7 V.
Lithium-Ionen vs. Lithium-Polymer-Batterien
Ein Lithium-Ionen-Polymer-Akku (LiPo) ist eine Art von Li-Ion-Akku mit einem Polymer-Elektrolyten statt einem flüssigen Elektrolyten. LiPo-Zellen bieten höhere spezifische Energien als andere Lithium-Batterien und werden häufig in Systemen verwendet, in denen das Gewicht wichtig ist, wie bei Mobilgeräten, Drohnen und einigen Elektrofahrzeugen.
Zusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien
Eine typische Lithium-Ionen-Zelle enthält:
Kathode: Materialien wie LiCoO2 oder LiMn2O4.
Anode: Häufig verwendetes Material ist lithiertes Graphit, LixC6.
Separator: Mikroporöse Polyolefinmaterialien, wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP).
Elektrolyt: Meist nicht-wässrige Lösungen, in denen Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) in organischen Carbonaten gelöst ist.
Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien
Li-Ion-Batterien werden häufig in kleinen Verbraucherelektronikgeräten wie Laptops und Mobiltelefonen verwendet. Tesla Motors verwendet z.B. LCO-Zellen in ihren Elektrofahrzeugen. Auf der anderen Seite bieten Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4/LFP) Zellen eine gute Lebensdauer, niedrige Kosten pro Ah und kW, gute Leistungsfähigkeit und sind extrem sicher.
Arten von Lithium-Ionen-Batterien
Verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien umfassen Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2), Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2 – NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4 – LFP).
Zylinder- vs. Prismatische vs. Pouch-Zellen
Li-Ion-Zellen gibt es in verschiedenen Formen: zylindrische Zellen, flache oder Pouch-Zellen und prismatische Zellen. Jede Form hat spezifische Vor- und Nachteile in Bezug auf Leistung, Sicherheit und Energieeffizienz.
Chemie einer Lithium-Ionen-Batterie – Wie sie funktioniert
Eine Lithium-Ionen-Batterie wandelt gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um. Während der Entladung werden Lithiumionen oxidiert und bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie in Lithium-Kobalt-Oxid eingebaut werden. Beim Laden kehren die Reaktionen um und die Lithiumionen bewegen sich zurück zur Anode.
Vorteile und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien
Zu den Vorteilen zählen hohe Zellspannung, hohe Energiedichte, kein Memory-Effekt und geringe Selbstentladung. Nachteile sind u.a. der Preis, die Notwendigkeit eines Batteriemanagementsystems und ein thermisches Management.
Merkmalen von Lithium-Ionen-Batterien
Wichtige Parameter einer Batterie umfassen Zellspannung, Abschaltspannung, Kapazität, C-Rate, Selbstentladung und Abnutzungstiefe. Diese Parameter sind entscheidend, um die Eignung einer Batterie für bestimmte Anwendungen zu bestimmen.
Degradation von Lithium-Ionen-Batterien durch Zyklen
Mit jedem Lade-Entlade-Zyklus degradieren die Batterien, was sich auf die Lebensdauer und Leistung auswirkt. Stressfaktoren wie hohe Temperaturen, erhöhte C-Raten und tiefe Entladungen können die Zellenkapazität beschleunigt verringern.
Andere Batterietypen
Neben Lithium-Ionen-Batterien gibt es zahlreiche andere Batterietypen, darunter primäre (nicht wiederaufladbare) und sekundäre (wiederaufladbare) Zellen mit unterschiedlichen Chemien und Anwendungen.
Häufig gestellte Fragen
Abschließend werden häufig gestellte Fragen zu Lithium-Ionen-Batterien beantwortet, einschließlich Unterschiede zu Lithium-Metall-Batterien, Hauptanwendungen und Vor- und Nachteile.
