Lithium-Batterien setzen sich aus mehreren Rohstoffen zusammen, wobei Lithium nicht den größten Bestandteil ausmacht. (Bild: Matthew Gilbert @ AdobeStock)
Der Siegeszug der Lithium (Li)-Zellen ist seit Beginn der 90er Jahre nicht mehr aufzuhalten. Waren Li-Batterien (LiB) anfangs noch mobilen Geräten wie Mobiltelefonen oder Notebooks vorbehalten, finden sie sich heute in den verschiedensten privaten und industriellen Anwendungen. Auch die Entwicklung der Batterien ist von einer Evolutionsgeschichte geprägt. So löste die jeweils bessere Technologie ihren Vorgänger ab, ohne ihn in der Regel vollständig zu verdrängen. Dies hatte sowohl technische als auch wirtschaftliche Gründe. So löste die Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) die Nickel-Cadmium-Technik (NiCd) ab und die Lithium-Ionen-Batterie (LiB) die NiMH-Batterie sowie die heutige Bleizelle.
5 Häufig gestellte Fragen und Antworten zu Lithium-Ionen-Batterien
Frage 1: Was ist die Lithium-Batterie-Technologie und welche Vorteile bietet sie?
Die Lithium-Batterie-Technologie verwendet Lithium als elektrochemisches Material und bietet hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, geringe Selbstentladung und einen weiten Temperaturbereich.
Frage 2: Welche Arten von Lithium-Zellen gibt es und wie unterscheiden sie sich?
Es gibt verschiedene Kathoden-Anoden-Kombinationen wie LiCoO2 (LCO), LiMn2O4 (LMO), LiaNixMnyCozO2 (NMC) und LiFePO4 (LFP), die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen haben.
Frage 3: Welche Herausforderungen bringen die Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien mit sich?
Die Rohstoffverfügbarkeit ist begrenzt, insbesondere bei Materialien wie Kobalt und Nickel. Ein effizientes Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist ebenfalls eine Herausforderung.
Frage 4: Welche Vorteile bieten Lithium-Batterien im Vergleich zu anderen Batterietypen?
Lithium-Batterien haben eine höhere Energiedichte, längere Lebensdauer, geringe Selbstentladung, geringes Gewicht und einen breiten Anwendungsbereich.
Frage 5: Wie steht es um das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien?
Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist prinzipiell möglich, aber noch nicht im industriellen Maßstab wirtschaftlich. Zuvor kann eine Zweitnutzung der Batterien in stationären Energiespeichern erfolgen, um ihre Lebensdauer zu verlängern.
Die Li-ionen-Batterie und wie sie funktioniert
Was hinter der Lithium-Batterie-Technologie steckt
Die Lithium-Batterie-Technologie ist eine Art von Batterie, die Lithium als elektrochemisches Material verwendet. Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer, was sie zu einer vielversprechenden Technologie für die Stromversorgung von elektronischen Geräten und elektrischen Fahrzeugen macht. Die Technologie wurde erstmals im Jahr 1991 entwickelt und hat seitdem zahlreiche Verbesserungen und Anwendungen in Bereichen wie Handys, Laptops und Elektroautos gefunden.
Li-Batterien könnten heute verschiedene andere Batterien wie z.B. Blei-Säure-Batterien ersetzen, was aber aus wirtschaftlicher und technologischer Sicht nicht immer sinnvoll ist. Aber auch bei Li-Batterien gibt es heute verschiedene Varianten, die sich vor allem in ihren Anoden-Kathoden-Kombinationen und damit in ihren Eigenschaften unterscheiden. Je nach Anwendung bieten sie Vor- und Nachteile.
Auch bei den Li-Batterien findet eine Substitution statt, da Energiedichte, Zyklenverhalten und Ladeleistung ständig verbessert werden. Dennoch haben alle Technologien nach wie vor ihre Berechtigung und werden in vielen Anwendungen weiterhin sinnvoll eingesetzt. Aus technischer Sicht könnte LiB heute alle anderen Varianten ersetzen, was aber weder von den Anforderungen noch von den Kosten her sinnvoll wäre. Für die Zukunft bedeutet dies, dass die Koexistenz der verschiedenen Batterietechnologien noch sehr lange bestehen wird, die Bedeutung der Li-Batterien jedoch zunehmen wird.
Welche Vorteile bieten Lithium-Batterien?
Zu den Vorteilen von LiB zählen das deutlich bessere Zyklenverhalten, die bessere Lade-/Entladeleistung, die höhere Energiedichte, die sehr geringe Selbstentladung und der sehr weite Temperaturbereich, in dem die Batterie betrieben werden kann. Im Gegensatz zur Bleizelle (Pb) benötigt die Li-Zelle keine Entgasung und benötigt neben der Gewichtsersparnis deutlich weniger Platz. Ausführlicher gesprochen:
- Hohe Energiedichte: Lithium-Batterien haben eine höhere Energiedichte als herkömmliche Batterietypen, d.h. sie können mehr Energie pro Gewicht speichern.
- Lange Lebensdauer: Lithium-Batterien haben eine längere Lebensdauer als andere Batterietypen und müssen seltener ausgetauscht werden.
- Breites Anwendungsspektrum: Lithium-Batterien eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter tragbare Geräte, Elektroautos und Stromversorgungssysteme für den Einsatz im Freien.
- Geringe Selbstentladung: Lithium-Batterien haben eine geringere Selbstentladung als andere Batterietypen, d.h. sie halten ihre Ladung länger.
- Geringes Gewicht: Lithium-Batterien sind leicht, was sie ideal für tragbare Geräte und mobile Anwendungen wie Elektrofahrzeuge macht.
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Welche Arten von Lithium-Zellen gibt es?
Doch wie bekannt ist die Lithium-Zelle wirklich? Schon die Bezeichnung kann irreführend sein. Bei den oben genannten Typen wie auch bei allen anderen Batterietechnologien leitet sich der Name in der Regel vom verwendeten Kathoden-Anoden-Material ab. Insofern ist der Oberbegriff Li-Batterie nur als Sammelbegriff zu verstehen, denn dahinter verbirgt sich eine Vielzahl von Kathoden-Anoden-Kombinationen, die einer LiB unterschiedliche Eigenschaften verleihen.
Lithium hat dabei den geringsten Anteil an einer Batterie. Laut einer Veröffentlichung des ADAC enthält eine 400 kg Antriebsbatterie 33 kg Graphit, 12 kg Nickel, 12 kg Kobalt, 11 kg Mangan und nur 4 kg Lithium. Daher ist es wichtig, die jeweilige Kathoden-Anoden-Kombination zu betrachten, um die Batterie eindeutig zu identifizieren und ihre Eigenschaften und Eignung zu bestimmen. GS Yuasa arbeitet hier mit vier Kathoden-Anoden-Kombinationen:
Im Video: Wie der Lithium-Ionen-Akku funktioniert
Lithium Cobalt Oxid 3,7 V / Z (LiCoO2, kurz LCO)
Diese Kombination weist die höchste Energiedichte auf, ist aber aufgrund der begrenzten Rohstoffverfügbarkeit auch entsprechend teuer. Nach Angaben des United States Geological Survey (USGS) aus dem Jahr 2019 belaufen sich die weltweiten Vorkommen auf nur rund 7 Millionen Tonnen. Daher setzt GS Yuasa LiB mit dieser Technologie beispielsweise in der Raumfahrt oder bei Unterwasseranwendungen ein, wo Gewicht und Platz eine sehr wichtige Rolle spielen.
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Lithium Mangan Oxid 3,7 V/ Z (LiMn2O4, kurz LMO)
Die Zelle hat zwar eine geringere Energiedichte als die LCO, ist aber auch kostengünstiger bei sehr guter Lade-/Entladeleistung. Aufgrund der linearen SOC-Spannungskennlinie ist auch hier eine sehr gute SOC-Bestimmbarkeit (State of Charge)möglich.
Diese LiB-Technologie eignet sich für ein breites industrielles Anwendungsfeld, insbesondere für die allgemeine Energiespeicherung, den Ausgleich von Lastspitzen sowie die unterbrechungsfreie Stromversorgung. Laut USGS von 2019 gibt es ein weltweites Vorkommen von 810 Millionen Tonnen dieses Rohstoffs. Die von GS Yuasa für industrielle Zwecke verwendete und bevorzugte Zelle hat eine Nennkapazität von 50 Ah und kann mit bis zu 4 CA entladen werden. Innerhalb von 20 Minuten erreicht sie einen Ladezustand von 75 Prozent und liefert bei minus 20 Grad Celsius sogar 95 Prozent der Nennkapazität. Die Ladung erfolgt mit bis zu 2,5 CA und die Zelle erreicht 11.000 Zyklen bei 70 % EOL (End of Life) und 25 °C.
Lithium Nickel Mangan Kobalt 3,7 V /Z (LiaNixMnyCozO2, kurz NMC)
Diese Kombination verspricht eine hohe Energiedichte bei akzeptablen Kosten und kommt zurzeit als klassische Antriebsbatterie zum Einsatz. Nickel ist mit 89 Millionen Tonnen weltweitem Vorkommen (laut USGS 2019) ein eher seltenes Material, jedoch im Zuge der wachsenden Elektromobilität essenziell.
Lithium Eisen Phosphate 3,2 V/ Z (LiFePO4, kurz LFP)
Die derzeit wohl am weitesten verbreitete Form der LiB hat eine breite Anwendung im Verbraucher- und Industriebereich. Im Gegensatz zur LMO-Batterie hat die LFP-Batterie eine sehr flache Entladekurve, so dass der SOC (State of Charge), also die verbleibende Restkapazität, sehr schwer zu bestimmen ist. Lithium an sich hat laut USGS 2019 ein weltweites Vorkommen von 17 Millionen Tonnen. Auch hier stellt der Wert einen Engpass im Hinblick auf die Elektrifizierung des Verkehrs bzw. die Umsetzung der Elektromobilität dar.
Nicht nur die Rohstoffkombination spielt bei einer Li-Batterie eine wichtige Rolle, sondern auch die endgültige Form der Zelle. Die verschiedenen Bauformen haben Vor- und Nachteile, die in der folgenden Übersicht dargestellt sind.
Rohstoffverfügbarkeit und Recycling bei Lithium-Ionen-Batterien
Diese Ausführungen verdeutlichen die knappe und teilweise monopolistische Verfügbarkeit von Rohstoffen, die ein funktionierendes Recycling voraussetzt. Soll also z.B. die Elektrifizierung des Verkehrs gelingen, setzt dies Rohstoff- und Recyclingeffizienz voraus. Vor dem Recycling beginnt jedoch das „Second Life“ der Batterie, also ihre Zweitnutzung, die eine Wiederverwendung gebrauchter Batterien aus Elektrofahrzeugen in stationären Energiespeichern vorsieht. Traktionsbatterien haben noch eine Restkapazität von 70 bis 80 Prozent, wenn sie nicht mehr für den Betrieb im Auto geeignet sind. Allerdings befindet sich die Batterie zu diesem Zeitpunkt noch in einem SOH-Zustand (State of Health), der eine Zuführung in den Recyclingprozess verbietet. Daher ist es sinnvoll, sie als stationären Speicher zu nutzen und ihre Nutzungsdauer deutlich zu verlängern.
Der anschließende Recyclingprozess ist bereits heute prinzipiell möglich, es stehen jedoch noch nicht genügend Batterien zur Verfügung, um diesen Prozess im industriellen Maßstab wirtschaftlich sinnvoll zu betreiben.
