Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Anders ausgedrückt weisen sie auf ihr Gewicht bezogen eine hohe Ladung auf. Darüber hinaus hält ihre Ladung länger an als die anderer Batteriearten, wenn sie nicht in Gebrauch sind. Anders als bei den meisten wieder aufladbaren Arten tritt bei Lithium-Ionen-Batterien kein „Memory“-Effekt ein, das heißt, sie müssen nicht völlig entladen sein, bevor man sie wieder aufladen kann. Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien (kurz Li-Ion), in allen Fällen weisen sie jedoch eine negative Elektrode, die Anode, auf, die in der Regel aus Kohlenstoff besteht. Außerdem enthalten sie eine positive Lithiumoxid-Elektrode, die Kathode, und ein Elektrolyt, das ein Lithiumsalz enthält. Jede Batteriezellenart erzeugt ihre eigene typische Spannung und hat bestimmte Stärken und Schwächen.
Der Nachteil an Lithium-Ionen-Batterien ist das mit ihnen einhergehende Explosions- und Brandpotenzial. Diese Ereignisse können eintreten, wenn die Batterien überladen oder zu schnell und mit einer zu hohen Stromstärke geladen wurden. Angesichts dieses Risikos müssen Schaltungen installiert sein, die vor derartigen Vorfällen schützen. Lithium selbst kann beim Kontakt mit Wasser explosiv reagieren, daher müssen Lithium-Ionen-Batterien robust gebaut sein, um einem mechanischen Trauma standhalten zu können.
Funktionsweise
Die grundlegende Struktur einer Lithium-Ionen-Batterie setzt sich zusammen aus der Anode – oder dem negativen Pol, der oft aus Graphit besteht – und der Kathode – oder dem positiven Pol – der aus Lithiumoxid hergestellt werden kann. Ein Trennelement verhindert, dass sich die Pole berühren, er ist jedoch für Lithium-Ionen durchlässig, die in einer Lösung namens Elektrolyt frei zwischen den Polen fließen.
Abbildung 1: Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. (Quelle: Palladium Energy)
Laden und Entladen einer Batterie
Die Betriebsweise aller Lithium-Ionen-Batterien lässt sich am besten anhand von Oxidation (der Abgabe von Elektronen) und Reduktion (der Aufnahme von Elektronen) begreifen. Ein chemischer Grundsatz besagt, dass diese Reaktionen miteinander im Gleichgewicht stehen müssen. Jeder Aufnahme muss eine Abgabe gegenüberstehen, für jede Oxidation muss es eine Reduktion geben.
Während des Ladevorgangs findet Oxidation in der Kathode (dem positiven Pol) statt. Diese gibt Elektronen ab, was wiederum durch die Reduktion bzw. die Aufnahme von Elektroden in der Anode (dem negativen Pol) ausgeglichen wird. Ist die Batterie vollständig geladen, werden die freien, positiv geladenen Lithium-Ionen von dem negativen Pol angezogen.
Während die Batterie eine Spannungsversorgung liefert, strömen Elektronen von der Anode (dem negativen Pol) aus durch das Gerät, das mit der Batterie betrieben wird, und zurück in den positiven Pol (die Kathode).
Der Vorgang läuft nun in umgekehrter Reihenfolge ab. Die Oxidation findet in der Anode (dem negativen Pol), die Reduktion an der Kathode statt. Nachdem der negative Pol zuvor einige dieser Elektronen abgegeben hat, gibt er nun einige jener positiv geladen Ionen ab, die zurück zur Kathode fließen. Der Zyklus ist damit abgeschlossen.
Lithiumkobaltoxid
Die Lithium-Ionen-Batterieart, die am häufigsten für tragbare elektronische Geräte verwendet wird, ist die Lithiumkobaltoxid-Variante, die ihren Namen der Zusammensetzung (LiCoO2) ihrer positiven Elektrode, also Kathode, verdankt. Die Anode, ihre negative Elektrode, besteht aus Kohlegraphit. Energiedichten von bis zu 250 Wattstunden sind damit möglich, was selbst verglichen mit anderen Lithium-Ionen-Batterien ein hoher Wert ist. Eine Einheit, die beispielsweise eine Nennkapazität von 2 Amperestunden aufweist, darf nie mit mehr als zwei Ampere geladen werden. Der Standardsicherheitsfaktor beträgt dabei 0,8 bei einem maximalen Ladestrom von 0,8 x 2,0 Ampere bzw. 1,6 Ampere. Ähnliche Grenzwerte gelten für den Entladestrom. Für die Steuerelektronik sowie um sicherzustellen, dass die Einheit ihren Nenntemperaturbereich nicht überschreitet und kein ernsthaftes Brand- oder Explosionsrisiko vorliegt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Betrieb innerhalb dieser Bereiche erfolgt. Die typische Betriebsspannung liegt bei 3,6 Volt, womit sich diese Batterieart neben der hohen Leistungsdichte perfekt für den Betrieb mobiler elektronischer Geräte eignet.
Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC)
Diese Lithium-Ionen-Batterieart hat eine niedrigere Energiedichte, jedoch eine längere Lebensdauer als Lithiumkobaltoxid, und wird oft in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die chemische Formel für die Anode ist LiNiMnCoO2und diese Lithium-Ionen-Batteriearten können über viele Zyklen hinweg wieder aufgeladen werden, ohne dass sich ihre Leistung verschlechtert.
In Elektrofahrzeugen werden diese Zellen in parallelen Blöcken konfiguriert, um ausreichend Strom abgeben zu können. Diese Blöcke werden dann in Serie eingesetzt, damit genug Spannung anliegt, um den Elektromotor eines Autos angemessen betreiben zu können. Insgesamt besteht eine solche Batterie aus mehreren Hundert Zellen. Dies verkompliziert die Anforderungen an die für die Überwachung der Spannung und Stromstärke für Entladung, Ladung und Temperatur erforderliche Schaltung erheblich, da jede Zelle einzeln überwacht werden muss.
Verbesserungen und Innovationen
Derzeit befinden sich mehrere neue Arten von Lithium-Ionen-Batterien in der Herstellung. Weltweit werden Unsummen dafür ausgegeben, diese Arten von Lithium-Ionen-Batterien zu optimieren und neue Formeln zu entwickeln.
Im Bereich der NMC-Batterien wird dahingehend geforscht, dass man die Nickel- und Kobaltmenge reduziert und dafür den Anteil von Mangan und insbesondere Lithium erhöht. Das Ergebnis ist eine höhere Energiedichte ohne die zusätzlichen Gefahren der Lithiumkobaltoxid-Varianten. Bisher überstehen die entwickelten Zellen jedoch dem Anschein nach noch nicht so viele Ladezyklen. Sobald die Forschungsarbeit Früchte trägt, bedeutet dies, dass weniger Zellen in der Lage sein werden, eine bestimmte Anzahl an Wattstunden zu liefern, was leichtere und kostengünstigere Batterien als direkte Folge hätte.
Bei allen auf dem Markt verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien ist der Herstellungsprozess mit der Verwendung toxischer, leicht entzündlicher Materialien verbunden, was den Einsatz überaus teurer Produktionsausrüstung zwingend erfordert, bei der keine Funken entstehen können. Die beteiligten Chemikalien dürfen unter keinen Umständen in die Atmosphäre oder ins Grundwasser gelangen. Auch das erhöht die Herstellungskosten erheblich. Es ist zu erwarten, dass ein tieferes Verständnis der Feinheiten chemischer Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten von Lithium-Ionen-Batterien weitere Änderungen an den Herstellungsprozessen ermöglichen und so die Notwendigkeit solch gefährlicher Elemente aufheben. Sollte dies erfolgreich sein, bedeutet dies für alle Lithium-Ionen-Batterien eine deutliche Senkung der Kosten.
Ein weiterer Bereich, in dem aktiv geforscht wird, betrifft die Beschleunigung der Ladezeit. Letzten Endes ist dies möglicherweise im Hinblick auf die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei der allgemeinen Bevölkerung noch wichtiger als die Energiedichte oder gar als die Kosten. Ein Eingriff, der in Erwägung gezogen wird, ist eine Impulsgabe des Ladestroms anstatt der kontinuierlichen Stromabgabe, was sich hinsichtlich der Reduktion der Ladezeit als vielversprechend erwiesen hat. Bei dieser Vorgehensweise entstehen an den verschiedenen Stellen in der geladenen Batterie neue Arten chemischer Zwischenerzeugnisse, die man noch nicht in ihrer Gänze versteht. Die Nutzung dieser Möglichkeit würde ebenfalls ein tieferes Verständnis dieser chemischen Vorgänge sowie der Reaktion der Batteriekomponenten auf die Druckbedingungen in einer im Betrieb befindlichen Batterie erfordern.
Batterien sind in vielen zentralen Bereichen zu einem einschränkenden Faktor geworden, so beispielsweise bei Fahrzeugen und mobilen Geräten. Die derzeit verfügbaren Arten werden verbessert und neue Arten werden entwickelt. Jedoch geht es einer Generation, die mit dem Mooreschen Gesetz entwöhnt wurde, womöglich nicht schnell genug mit dem Fortschritt. Labore an Universitäten und in Unternehmen in der ganzen Welt erforschen radikale Alternativen und es ist durchaus möglich, dass man sich eines Tages an Lithium-Ionen-Batterien als Übergangsprodukt erinnert.