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Lithium-Ionen-Speicher

1. Lithium-Metalloxid (LI-MO), Quelle: Technic Dreams 2012

Das Grundprinzip des Li-Ion-Akkus besteht unabhängig von den jeweils gewählten Materialkombi-nationen bei der Beschichtung der beiden Elektroden im Wesentlichen nur in einen Transfer von Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden. Als Kathode dient Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2); im entladenen Zustand ist das Cobalt dreiwertig, im geladenen Zustand vierwertig. Die Anode wird durch eine sehr feine Kohlenstoffmatrix (Graphit oder Kohlenstoffpulver) gebildet, in die sich Lithium-Ionen einlagern können.

Durch das geringe spezifische Gewicht des Lithiums ergibt sich bei diesem Akkutyp eine hohe Energiedichte, die Li-Ion besonders auch für Antriebszwecke sehr interessant macht Aufgrund der Instabilität von Lithium in Wasser dürfen für Lithiumbatterien keine wässrigen Elektrolyte verwendet werden. Eingesetzt werden organische (oder polymere) Elektrolyte mit hoher chemischer Bestän-digkeit und guter Löslichkeit für Lithiumsalze, zum Beispiel Alkohol-Cabonate mit Lithiumhexafluor-phosphat (LiPF6) oder Lithiumimid (LiN(SO2CF3).

 

2. Lithium-Polymer (LI-PO), Quelle: Technic Dreams 2012

Der wesentliche Unterschied gegenüber herkömmlichen Li-Ion-Akkus liegt in der Beschaffenheit der Elektrolytschicht, was wiederum hinsichtlich der Konfektionierungsmöglichkeiten und der sich erge-benden Einsatzgebiete dieses Batterietyps weitreichende Konsequenzen hat. Als Kathode dienen Lithium-Metalloxide wie Lithium-Cobaltoxid oder Lithium-Manganoxid, die Anode besteht aus einer Kohlenstoffmatrix. Diese beiden Elektroden kommen in Form von Folien auf Kunststoffbasis zum Einsatz.

Optimierung des Elektrolyten: Während bei herkömmlichen Li-Ion-Akkus jedoch flüssige organische Elektrolyte verwendet werden und die Trennung der Elektroden durch Separatoren gewährleistet wird, befindet sich beim Polymer-Typ zwischen den Elektroden eine mit flüssigem Elektrolyt getränkte Schicht aus ionen-durchlässigem Kunststoff, wobei die verwendeten flüssigen Elektrolyte denen der herkömmlichen Li-Ion-Akkus entsprechen. Das somit entstehende Laminat dreier Kunststofffolien (Anode - Elektrolyt - Kathode) ist gegen Verformung außerordentlich unempfindlich, und die Polymer/Elektrolyt-Schicht schützt zuverlässiger vor Kurzschlüssen als die in Li-Ion-Zellen verwen-deten Separatoren. Aus diesem Grund kann dieser Akku-Typ ohne starres Gehäuse konfektioniert werden, oft wird als äußere Schutzhülle lediglich eine kunststoffummantelte Aluminiumfolie verwendet.

3. Lithium-Titanat (LI-TO), Quelle: Technic Dreams 2012

Herkömmliche Li-Ion-Akkus verwenden eine Anode aus Kohlenstoff, gewöhnlich Graphit. Problematisch ist die Grenzfläche des Kohlenstoffs zum Elektrolyt hin, an der sich eine passive bzw. passivierende Zwischenschicht ausbildet - das sogenannte SEI (Solid Electrolyte Interface). Dieses SEI erhöht den Innenwiderstand der Zelle und bestimmt maßgeblich ihre Kenndaten. Durch die Wahl verschiedener Elektrolyte und durch Additive lassen sich die Eigenschaften des SEI - in Grenzen - optimieren. Als Anodenmaterial soll LI-TO (Li4Ti5O12)  die Ausbildung eines SEI verhindern und somit eine wesentlich beschleunigte Einla-gerung der Lithium-Ionen in der Anode ermöglichen, was sich besonders auf die Schnellladefähigkeit der Zelle auswirkt.

Nanostrukturiertes LI-TO als Anodenmaterial ermöglicht Li-Ion-Zellkonstruktionen ohne die Verwendung von Kohlenstoff. Sofern die Beschichtungsmaterialien der Elektroden eine starke chemischen Bindung ihres Sauerstoffgehaltes aufweisen, ergibt sich eine hohe thermische Stabilität, d.h. die Zellen neigen bei Kurzschluss, Tiefentladen, Überladen oder mechanischer Zerstörung nicht zur Bildung von Rauch, Feuer bzw. zur Explosion ('Thermal Runaway'). LI-TO-Zellen können somit bauartbedingt eine hohe Eigensicherheit aufweisen. Diese positive Eigenschaft wird noch durch die Ungiftigkeit und gute Umweltverträglichkeit von LI-TO unterstützt.

4. Lithium-Mangan (LI-MN),  Quelle: Technic Dreams 2012

Die erste Generation sekundärer Li-Ion-Zellen basierte auf Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2) als Kathodenmaterial. Als Alternative bot sich aufgrund des geringeren Preises, besserer Umweltverträglichkeit sowie aus Sicherheitsaspekten Lithium-Manganoxid (LiMn2O4) als Nachfolger an. Beim Lithium-Mangan-Akkumulator wird Lithium-Manganoxid als Aktivmaterial in der Kathode eingesetzt. Die Anode besteht entweder aus herkömmlichem Graphit (Hochenergiezellen) oder aus einer amorphen Kohlenstoffstruktur ("Amorphous Carbon").

Durch die größere Anodenoberfläche ergibt sich eine verbesserte Hochstromfestigkeit. Zudem gehören eine geringe Selbstentladung, ein großer Temperaturbereich und eine Zyklenfestigkeit von über 1.000 zu den besonderen Vorteilen dieses Akkumulatortypen.  auf.  Die Hochstromfestigkeit von Akkumulatoren ist besonders für den Powertool-Markt und Starterbatterien ein wesentliches Kriterium. Li-Ion-Hochstromzellen erschließen Einsatzgebiete für Akkumulatoren, die besonders hohe Peak- und Dauerströme erfordern. Hochstromzellen auf Mangan-Basis weisen eine hohe Eigensicherheit auf, da Mangan nicht mit Lithium reagiert. Allerdings ist die Lithium-Mangandioxid-Batterie beziehungsweise Lithium-Mangandioxid-Zelle nicht wiederaufladbar und zählt daher zur Gruppe der Primärbatterien.

5. Lithium-Eisenphosphat (LI-FP), Quelle: Technic Dreams 2012

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus sind eine 1997 an der University of Texas entwickelte Variante des Li-Ion-Akkus, bei der Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4, 'LI-FP') anstatt Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2) als Kathodenmaterial verwendet wird. Li-Eisenphosphat als Kathodenmaterial bringt gegenüber herkömmlichen Li-Ion-Akkus verschiedene Vor- und Nachteile mit sich, die maßgeblich über die künftigen Marktchancen und Anwendungsbereiche entscheiden:

Die wesentlichen Vorteile von LI-FP liegen im günstigen Preis sowie in hoher Eigensicherheit und Umweltverträglichkeit. LI-FP neigt aufgrund der starken chemischen Bindung seines Sauerstoff-gehaltes nicht zur Bildung von Feuer bzw. zur Explosion ('thermal runaway'), LI-FP-Zellen weisen somit bereits bauartbedingt eine hohe Eigensicherheit auf. Hemmnisse liegen in der schlechten elektrischen Leitfähigkeit und langsamen Lithium-Diffusion bei LI_FP bzw. der Bewältigung der damit verbundenen Performance-Probleme.

6. Lithium-Luft (LI-O), Quelle: Wikipedia 2012

Der Li-O-Akku ist im Wesentlichen eine Entwicklung durch das IBM Almaden Research Center, in der die Kathode durch Luft ersetzt wird. Als Anode dient metallisches Lithium, das vollständig an der Reaktion teilhaben kann. Da der für die Reaktion benötigte Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen werden kann, wird die Kapazität einer Lithium-Luft-Zelle alleine durch die Größe der Lithium-Anode bestimmt. Die theoretisch erreichbare Energiedichte liegt, wenn man die Masse des Sauerstoffs nicht berücksichtigt, bei rund 11.000 Wh/kg bei einer Nominalspannung von 2,96 V.

Im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Akkus sind die Lithium-Feststoff-Akkus gekennzeichnet durch ihre Hitzebeständigkeit, so können die Feststoff-Akkus selbst bei Temperaturen um 100 Grad Celsius arbeiten, während Lithium-Polymer-Speicher anfangen zu brennen oder die flüssigen Bestandteile zu kochen beginnen. Ein weiterer Vorteil des Lithium-Feststoff-Akkus ist, dass er keine aufwändige Kühlung erfordert. Daher benötigt man weniger Platz bei gleicher Leistung oder verfügt über mehr Leistung bei gleichem Platzbedarf.