Lithium-Metall-Batterie: Ein Überblick
Einführung
Lithium-basierte Primärzellen, auch als Lithium-Metall-Batterien bekannt, sind nicht wiederaufladbare Batterien, die metallisches Lithium als Anode verwenden. Diese Batterien zeichnen sich durch eine äußerst geringe Selbstentladungsrate und somit die längste verfügbare Lagerzeit von bis zu 10 Jahren aus, auch bei Temperaturen von bis zu 70 Grad Celsius.
Die gängigsten Zelltypen
Zu den verbreitetsten Zelltypen gehören:
- Lithium-Mangan-Dioxid-Zelle
- Lithium-Eisen-Disulfid-Zelle
- Lithium-Thionylchlorid-Zelle
- Lithium-Luft-Zelle
Grundlegende Chemie
Die grundlegende Reaktion in einer Lithium/MnO2-Zelle lässt sich wie folgt darstellen: Li(s) + MnIVO2(s) ⇌ MnIIIO2(Li+) [E° = +3,19 V]. Batterien wandeln gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um und liefern eine Quelle für elektromotorische Kräfte, um Ströme in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen zu ermöglichen.
Aufbau einer typischen Batterie
Ein typischer Aufbau einer Batterie besteht aus einer oder mehreren Volta-Zellen. Das grundlegende Prinzip einer elektrochemischen Zelle basiert auf spontanen Redoxreaktionen in zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, eine Substanz, die ionisch leitfähig und elektrisch isolierend ist.
Komposition von Lithium-Metall-Batterien
Die Lithium-Metall-Batterie (Li/MnO2-Zelle) besteht aus fünf Teilen: Deckel (negativer Pol), Anode, Separator, Kathode und Elektrolyt. Das aktive Material in der Anode ist metallisches Lithium. Li+-Ionen gelangen in die Lösung und diffundieren durch den Elektrolyten und Separator zur Kathode.
Chemie der Lithium-Metall-Batterien
Bei geschlossenem Stromkreis zieht die stärkere Anziehung der Elektronen durch die Kathode (z.B. Mangan(IV)-oxid in primären Lithiumbatterien) die Elektronen von der Anode (z.B. metallisches Lithium) durch den Draht im Stromkreis zur Kathodenelektrode. Diese Batteriechemische Reaktion, dieser Elektronenfluss durch den Draht, ist Elektrizität.
Vorteile und Nachteile von Lithium-Metall-Batterien
Vorteile: Primärbatterien haben eine höhere Energiedichte als wiederaufladbare Sekundärzellen. Sie sind in der Regel die beste Wahl für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.
Nachteile: Der Hauptnachteil von Primärbatterien ist, dass sie nicht wiederaufladbar sind. Lithium-Metall-Batterien sind zudem teurer als andere Batterietypen.
Charakteristika von Lithium-Metall-Batterien
Um die Leistungsfähigkeit jeder Batterie zu vergleichen und zu verstehen, sind bestimmte Parameter kennzeichnend. Dazu gehören Zellspannung, Abschaltspannung, Kapazität und Selbstentladungsrate. Beispielsweise hat die CR2032-Batterie eine typische Kapazität im Bereich von 210-230 mAh und eine jährliche Selbstentladerate bei Raumtemperatur und normaler Luftfeuchtigkeit von weniger als 1% der Nennkapazität.
Andere Batterietypen
Zu den bemerkenswerten elektrischen Batterietypen gehören:
- Primärbatterien wie Alkaline-Batterien und Lithium-Metall-Batterien
- Sekundärbatterien wie Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien
Diese Liste umfasst eine Vielzahl von Batterietypen mit unterschiedlichen Materialkombinationen, die jedoch alle dasselbe Prinzip der Oxidations-Reduktions-Reaktion nutzen.
