Lithium-Batterien erobern den Markt

In den vergangenen Jahren hat sich bei den Energiespeichern für mobile elektrische Geräten ein Wandel von NiCd-Akkus zu Lithium-Basierten Technologien vollzogen. Erst dadurch ist die Mobilität mit Notebook, Tablet-PC und Smartphone, wie wir sie heute kennen, möglich geworden. Hier gibt es ein wenig Hintergrund zu den neuen Energiespeichern:

Lithium-Batterien sind eine relative junge Technologie, besonders im Vergleich zu konventionellen Systemen wie Nickel/Cadmium, Alkali Mangan oder Blei-Säure. Nichtsdestotrotz aber bekommen die Lithium-Batterien langsam die führende Technologie im Bereich der Gerätebatterien. Beweis dafür ist, dass Lithium-Batterien in den letzten Jahren das größte Marktwachstum zeigten, wobei das Potential, besonders im Hinblick auf die Zellchemie, noch nicht völlig ausgeschöpft ist.

Wie funktioniert eigentlich eine Lithium-Batterie?
Die galvanische Zelle ist die kleinste eigenständige elektronische Speichereinheit. Wenn man mehrere galvanische Zellen kombiniert, dann spricht man von einer Batterie. Indem man die Art, Anzahl und Verschaltung der Zellen kombiniert (sie können in Serie oder parallel geschaltet sein), stellt man Batterien, verschiedener Gesamtspannung bzw. Gesamtkapazität her.
In ihrer Funktion als Speichereinheit, beinhaltet die galvanische Zelle eine negative und eine positive Elektrode. Diese Elektroden sind in der Zelle im elektronischen Sinne voneinander getrennt, aber gleichzeitig auch über eine ionische Leitung mit einem Elektrolyten verbunden. Für die Speicherung ist ein Aktivmaterial notwendig, welches sich in den Elektroden befindet. Um den Entladeprozess herbeizuführen, verbindet man in einer geladenen Zelle, die beiden Elektroden auf eine externe Weise. Bei diesem Prozess kommt es zu einer Oxidation des Aktivmaterials bei der negativen Elektrode und einer Reduktion des Aktivmaterials bei der Positiven Elektrode. Über den äußeren Stromkreis fließen Elektronen, der Ladungsausgleich im Zellinnern erfolgt ionisch über den Elektrolyten. Desweiteren gibt es Primärzellen, die nur einmalige Entladungen zulassen und Sekundärzellen, die wiederaufladbar sind und auch Akkumulatoren genannt werden.

Wenn man von Lithium-Batterien spricht, dann meint man eine Vielzahl von primären und sekundären Betriebssystemen, in denen Lithium als Aktivmaterial der negativen Elektrode benutzt wird. Das Lithium kann dabei in reiner oder gebundener Form sein. Es gibt eine große Anzahl von möglichen Kombinationen von Anoden-, Elektrolyt- und Kathodenmaterialien. Wenn man Lithium-Batterien vom chemischen Standpunkt betrachtet, ist zu erkennen, dass Lithium das leichteste Metall im Periodensystem (Atommasse M = 6,941 g/mol; Dichte 0,53 g/cm³) ist und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe ( 3,04 V vs. Standardwasserstoffelektrode). Daraus resultiert eine sehr hohe theoretische Kapazität von 3860 Ah/kg und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen, machen es zum idealen Anodenmaterial. Man muss aber auch die hohe Reaktivität, metallischen Lithiums gegenüber Wasser oder feuchter Luft berücksichtigen. Deshalb ist es nur möglich, Lösungen wasserfreier Lithiumsalze in organischen Lösemitteln oder Festkörperelektrolyte als Elektrolyte zu verwenden. Außerdem muss der Zusammenbau der Lithium-Batterien unter Schutzgas oder zumindest in Trockenräumen erfolgen.
Die Lithium-Batterie überzeugt durch ihre hohe Energiedichte. Diese kann in der Zukunft durch die Vielfalt der möglichen Aktivmaterialien noch weiter gesteigert werden. Gleichzeitig fokussieren sich die Entwicklungen auf die Verbesserung der Sicherheit, der Lebensdauer und des Hochstromverhaltens.”


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