Lithium-Metall-Batterien: Einblick in die Technologie
Grundlagen der Lithium-Metall-Batterien
Lithiumbasierte Primärzellen, auch als Lithium-Metall-Batterien bekannt, sind nicht wiederaufladbare Batterien, bei denen metallisches Lithium als Anode dient. Diese Batterien zeichnen sich durch die niedrigste Selbstentladungsrate aus, was ihnen eine lange Lagerfähigkeit von bis zu 10 Jahren bei Temperaturen bis zu 70°C ermöglicht. Im Folgenden werden die gängigsten Zelltypen vorgestellt:
- Lithium-Mangan-Dioxid-Zelle
- Lithium-Eisen-Disulfid-Zelle
- Lithium-Thionylchlorid-Zelle
- Lithium-Luft-Zelle
Die Lithium-Mangan-Dioxid-Zelle
Die Lithium-Mangan-Dioxid-Zelle verwendet Lithiumfolie als Anode und Mangan(IV)oxid als Kathode. Die Zellen liefern eine Spannung von 3 Volt und sind häufig in Knopfzellen wie CR2032 zu finden.
Die Lithium-Eisen-Disulfid-Zelle
Die zylindrische Lithium-Eisen-Disulfid-Batterie (LiFeS2) nutzt Lithium als Anode und Eisen(II)-disulfid als Kathode. Diese Zellen sind für hohe Stromanwendungen optimiert und liefern eine nominale Spannung von 1,5 Volt.
Die Lithium-Thionylchlorid-Zelle
Diese Zellart hat die höchste Energiedichte aller Lithium-Zelltypen und eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren.
Die Lithium-Luft-Zelle
Ähnlich wie Zink-Luft-Zellen weisen sie eine sehr hohe theoretische Energiedichte auf. Sie nutzen metallisches Lithium als Anode und sind elektrochemisch an einen unbegrenzten Vorrat atmosphärischen Sauerstoffs durch eine Luftkathode gekoppelt.
Chemie der Lithium-Metall-Batterien
Jede Batterie ist darauf ausgelegt, Kathode und Anode getrennt zu halten, um eine Reaktion zu verhindern. Der Elektronenfluss erfolgt nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Bei Lithium-Mangan-Dioxid-Zellen ist die Gesamtreaktion: Li(s) + MnIVO2(s) ⇌ MnIIIO2(Li+) [E° = +3.19 V].
Anwendung und Realwelt-Bezug
Die bei der Reaktion erzeugten Elektronen werden verwendet, um Geräte zu betreiben, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Dieser Elektronenfluss durch den Draht im Stromkreis ist Elektrizität.
Fazit
Lithium-Metall-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie in vielen Bereichen, die hohe Energiedichte und lange Lebensdauer erfordern. Ihre vielseitige Anwendbarkeit und Zuverlässigkeit machen sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil in der modernen Elektronik und Energieversorgung.
