FG Elektronik und Informatik (FAEL)

Lithium-Ionen-Batterie: Ein Überblick über den Stand der Technik

Lithium-Ionen-Batterien sind aus keinem Aspekt unseres modernen Lebens mehr wegzudenken. Von kleinsten autonomen Systemen über Smartphones, Laptops, E-Autos, bis hin zu grossen stationären Energiespeicher werden Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Es gibt aber grosse Unterschiede bei den verschiedenen Typen von Lithium-Ionen-Batterien, die je nach Anwendung zum Einsatz kommen.

Autor: René Gisler

Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie stammt aus den 1970er-Jahren. Die erste kommerzielle Anwendung war eine Videokamera von Sony, die 1991 auf dem Markt kam. Seither hat sich die Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und sie kommt unterdessen in einem sehr breiten Gebiet zum Einsatz. 

Ihre Verbreitung verdanken sie primär ihrer hohen Energiedichte. Lithium-IonenBatterien  sind aber auch äusserst robuste Systeme mit einer hohen Zyklenfestigkeit. Und auch der Preis liess sich im Verlaufe der letzten Jahrzehnte durch kontinuierliche Weiterentwicklung und Skaleneffekte (im Schnitt um 20 Prozent pro Jahr) reduzieren. 

Und so erstaunte es wenig, dass die Produktionsmenge in den letzten Jahren stark angestiegen ist und auch noch weiter steigen wird. 2018 gab es weltweit 36 Gigafactorys, die eine Produktionskapazität von kombiniert cirka 226 GWh hatten. Bis ins Jahr 2028 soll die Zahl auf 66 Gigafactorys mit einer Produktionskapazität von circa 2000 GWh steigen. 

Aufbau

Lithium-Ionen-Batterien sind eine Subgruppe der Metall-Ionen-Batterien. Dabei handelt es sich um den Batterietyp mit dem grössten Wachstum und in keinen anderen Batterietypus werden aktuell höhere Forschungsgelder investiert. 

Aber es gibt auch innerhalb der Lithium-Ionen-Batterien viele Untertypen, die sich in Aufbau und Eigenschaften stark unterscheiden. Je nachdem, welche Materialien auf Anode und Kathode kombiniert werden, ergeben sich andere Eigenschaften. Es ist daher wichtig zu wissen, welcher Type von LithiumIonen-Batterie man für welchen Anwendungszweck einsetzt. 

Eine vollständige Auflistung aller Möglichkeiten würden den Umfang dieses Artikels um ein Weites überschreiten, daher sollen an dieser Stelle lediglich die wichtigsten vorgestellt werden. 

Grundsätzlich besteht eine Lithium-IonenBatterie immer aus mehreren Batteriezellen, die je aus einer Anode und Kathode bestehen. Dazwischen können sich die Lithium-Ionen in einer (zumeist) flüssigen Elektrolytlösung bewegen. 

Kathodenaufbau

Die Kathodenseite besteht meistens aus einer Aluminiumfolie, auf welcher das Aktivmaterial aufgebracht ist. Im Aktivmaterial werden, je nach Ladestand der Batterie, die LithiumIonen gespeichert. 

LCO (Lithium-Cobalt-Oxid) – LiCoO₂

LCO haben typischerweise eine relative kurze Lebensdauer (500 bis 1000 Zyklen) und sind gegenüber hohen Temperaturen nicht sehr robust. Dafür bieten sie aber eine hohe Energie-dichte. LCO-Zellen sind ausserdem nicht sehr stark belastbar und sollten in der Regel nicht mit Strömen ge- und entladen werden, welche grösser als 1C sind. 

NMC (Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan) Li(NiCoMn)O₂

NMC sind momentan das erfolgreichste Kathodenmaterial. Dies, weil sie einen guten Kompromiss zwischen Leistung, Energiedichte, Sicherheit und Kosten bieten. 
NMC Zellen können auf hohe Energiedichte oder auf hohe Leistung optimiert werden. So kann eine Standartzelle in Bauform 18650 Kapazitäten von 2800 mAh erreichen und Ströme bis 5A liefern. Die gleiche Zelle kann aber auch auf hohe Ströme optimiert werden und 20 bis 30A liefern, die Kapazität reduziert sich dadurch aber auf 2000 mAh. 

LFP (Lithium-Eisen-Phosphat) LiFePO₄

Phosphatbasierte Zellen haben eine sehr gute chemische und thermische Stabilität und sind sehr sicher. Sie gelten (auch im Fall einer Überlastung) als feuerfest und als sehr widerstandsfähig gegenüber Kurzschlüssen. LFP-Zellen haben auch eine lange Lebensdauer (typischerweise 1000 bis  2500 Zyklen). Aufgrund ihrer niedrigeren Zellspannung von 3.2V aber auch eine tiefere Energiedichter als NMC Zellen. 

Anodenmaterialien

Die Annodenseite besteht meist aus einer Kupferfolie, auf welcher das Aktivmaterial aufgebracht ist. 

C (Graphit)

Aktuell werden die meisten Lithium-Ionen-Batterien mit einer Kathode aus Kohlenstoff (Graphit) hergestellt. Graphit hat ein niedriges Elektrodenpotenzial und dehnt sich beim Aufladen kaum aus.  

LTO (Lithiumtitan-Spinell) Li₄Ti₅O₁₂

Bei Zellen mit LTO Anoden können höhere Leistungen erreicht werden. Sie gelten im Vergleich zu Graphit-Anoden als etwas sicherer und haben eine gute Zyklenfestigkeit. Dafür ist aber die Energiedichte geringer und die Kosten sind höher. 

Silicium-Kohlenstoff-Komposite

Silicium in der Anode verspricht, zumindest in der Theorie, eine massive Steigerung der Energiedichte. So könnte die volumetrische Energiedichte um Faktor drei (im Vergleich zu Graphit) gesteigert werden. Trotz intensiver Forschung konnte dies jedoch bisher ausschliesslich in einem sehr begrenzten Rahmen umgesetzt werden. Das Kernproblem liegt in der Eigenschaft von Silicium, sich bei Ladung stark auszudehnen respektive bei Entladung wieder zu schrumpfen. Dies führt bereits nach wenigen Lade-/ Entladezyklen zu starkem Verschleiss der Silicium-Partikel sowie des restlichen Batteriesystems. Um dieses Problem zu lösen gibt es unterschiedliche Ansätze, die sich in der Forschung befinden. So versucht man unter anderem durch ein Komposite aus Silicium und Kohlenstoff, die Nachteile zu überwinden. Der Kohlenstoff dient dabei als Abstandhalter und elektrischer Leiter zu den SiliciumPartikel. Damit lässt sich das Problem der Grössenänderung minimieren und durch den Einsatz der Silicium-Partikel eine höhere Speicherkapazität erreichen. 

Elektrolyt

Für das Elektrolyt werden in der Regel wasserfreie Lithiumsalze (meistens LiPF6) in organischen Lösemitteln verwendet. Dabei kommen aber noch zusätzliche Additive zum Einsatz. Dies, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern.

Feststoffbatterie

Bei einer Feststoffbatterie kommt kein flüssiger Elektrolyt zum Einsatz. Stattdessen wird ein fester Elektrolytträger verwendet. Dadurch könnten einige Nachteile der bestehenden Batterien überwunden werden. So erhofft man sich ein robusteres System, welches ohne die brennbaren Elektrolyte auskommt. Weiter erhofft man sich eine deutliche Steigerung der Energiedichte sowie der Leistungsdichte. Abgesehen von einigen Spezialanwendungen ist die Technologie aktuell jedoch noch nicht ausgereift.  

Sicherheit

Lithium-Ionen-Batterie haben, was die Sicherheit betrifft, in der öffentlichen Wahrnehmung einen schlechten Ruf. Zahlreiche Fälle von brennenden oder gar explodierenden Lithium-Ionen-Batterien sowie umfangreiche Rückrufe von namhaften Herstellern sind im kollektiven Gedächtnis verankert. Zahlreiche Studien und Untersuchungen zeigen aber, dass die Lithium-Ionen-Batterie im Allgemeinen eine sehr gute und ausgereifte Technik ist, die nur in seltensten Fällen zu Problemen führt. 
Diese Diskrepanz zwischen Wahrnehmung und Statistik lässt sich gut am Beispiel von brennenden E-Autos aufzeigen, die regelmässig in den Medien zu finden sind. Dies liegt zum einen daran, dass E-Autos noch relativ neu und exotisch sind und ein Brand dadurch viel  Aufmerksamkeit erregt. Dabei geht aber vergessen, dass auch konventionelle Autos brennen. So kommt es gemäss Statistik alleine in Deutschland jeden Tag zu circa 110 Bränden bei Autos mit konventionellem Antrieb. Diese sind aber so gut wie nie in den Medien zu finden. Statistische Vergleiche zwischen E-Autos und Benziner zeigen auch, dass E-Autos in der Tendenz seltener brennen als konventionelle Fahrzeuge. 

Ausblick

Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie schreitet weiter voran und es werden nach wie vor sehr grosse Summen in Forschung und Entwicklung investiert. Wir können also für die nächsten Jahre mit stetig besseren und günstigeren Batterien rechnen. Diese werden aber auch dringend benötigt. Für eine CO2freie Zukunft brauchen wir zwingend die Möglichkeit, elektrische Energie gut, sicher und günstig zu speichern. 
An unserem diesjährigen FAEL Herbstseminar stehen Energiespeicher im Mittelpunkt. Fünf Experten von Hochschulen und aus der Energiewirtschaft präsentieren dabei spannende Aspekte zur Energiespeicherung:

• CircuBAT: ein Kreislaufmodell für Autobatterien in der Schweiz, Prof. Dr. Andrea Vezzini, BFH Berner Fachhochschule
• Netzsicherheit und Speicher, Dr. Jörg Spicker, Swissgrid 
• Aluminium Redox-Zyklen für die Produktion von Wärme und Strom, Dr. Michel Haller, OST Ostschweizer Fachhochschule 
• Wasser-Recycling: Das Zweit-Turbinierungs-Projekt «Chlus», Gian Paolo Lardi, Repower AG
• Brennstoffzellen: Warum und wofür?; Prof. M. Höckel, BFH Berner Fachhochschule 

Der Anlass findet am 9. November um 17.30 Uhr an der PH Zürich statt. Im Anschluss gibt es wie stets einen Apéro und die Möglichkeit, sich auszutauschen und zu vernetzten. 

 

 

Begriffsdefinition Batterie  

Eine Batterie ist gemäss Definition ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis. Man unterscheidet zwischen Primärbatterie (nicht wiederaufladbar) und Sekundärbatterie (wiederaufladbar), die im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch als Akkumulator (Akku) bezeichnet werden. In diesem Artikel geht es um die weitverbreiteten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, oftmals auch als Lithium-Ionen-Akkus bezeichnet

 

Artikel ist erschienen im Polyscope 06/2022