Lithium-Ionen-Batterie Batterie Lithium

Lithium-Batterien setzen sich aus mehreren Rohstoffen zusammen, wobei Lithium nicht den größten Bestandteil ausmacht. (Bild: Matthew Gilbert @ AdobeStock)

Der Siegeszug von Lithium-Zellen (Li) ist seit Beginn der 90er-Jahre nicht mehr aufzuhalten. Während Li-Batterien (LiB) anfangs noch mobilen Geräten wie Telefonen oder Notebooks vorbehalten waren, findet man sie mittlerweile in verschiedensten privaten sowie industriell genutzten Anwendungen. Auch die Entwicklung der Batterien ist geprägt von einer Geschichte der Evolution. So ersetzte stets die bessere Technologie ihren Vorgänger, ohne diesen in der Regel komplett zu verdrängen. Das hatte technische ebenso wie wirtschaftliche Gründe. Die Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) etwa ersetzte die Nickel-Cadmium-Technik (NiCd) und die Lithum-Ionen-Batterie (LiB) löste die NiMH-Batterie sowie die heutige Bleizelle ab.

 

Lithium-Batterie – was steckt hinter der Technologie?

Die Lithium-Batterie ist heute gefragter denn je: Verschiedenen Applikationen aus dem Industrial-, Consumer- und Automotive-Sektor sind auf den Energiespeicher angewiesen. Li-Batterien könnten heute verschiedene andere Batterien wie etwa Bleizellen ersetzen, allerdings wäre das aus wirtschaftlicher und technologischer Sicht nicht immer sinnvoll. Allerdings gibt es auch bei Li-Batterien heute verschiedene Varianten, die sich vor allem in ihren Anoden-Kathoden-Kombinationen und damit in ihren Eigenschaften unterscheiden. Sie bieten je nach Anwendung Vor- und Nachteile.

Auch unter den Li-Batterien findet mittlerweile eine Substitution statt, weil Energiedichte, Zyklenverhalten und Ladeperformanceständige Verbesserungen erfahren. Allerdings besitzen alle Technologien weiterhin ihre Berechtigung und kommen in vielen Applikationen nach wie vor sinnvoll zum Einsatz. Aus technischer Sicht könnte die LiB heute alle anderen Varianten ersetzen, allerdings wäre das weder hinsichtlich der Anforderungen noch in Bezug auf die Kosten sinnvoll. Für die Zukunft bedeutet dies, dass die Koexistenz verschiedener Batterietechnologien noch sehr lange bestehen wird, jedoch die Bedeutung der Li-Batterien zunehmen wird.

Welche Vorteile bieten Lithium-Batterien?

Zu den Vorteilen von LiB zählt ihr sehr viel besseres Zyklenverhalten, die bessere Lade-/Entladeperformance, die höhere Energiedichte, ihre sehr geringe Selbstentladung und der sehr weite Temperaturbereich, in dem sich die Batterie betreiben lässt. Im Gegensatz zur Bleizelle (Pb) erfordert die Li-Zelle keine Entlüftung und benötigt zusätzlich zur Gewichtsersparnis deutlich weniger Platz.

Kobalt
Kobalt: höchste Energiedichte, aber selten und teuer. (Bild: Shutterstock )

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Welche Arten von Li-Zellen gibt es?

Doch wie bekannt ist die Lithium-Zelle wirklich? Schon die Namensgebung kann irreführend sein. Bei den eben genannten Typen ebenso wie bei allen anderen Batterietechnologien ergibt sich der Name in der Regel aus dem verwendeten Kathoden-Anoden-Material. Insofern lässt sich der allgemeine Begriff Li-Batterie nur als Sammelbegriff verstehen, weil sich dahinter eine Vielzahl von Kathoden-Anoden-Kombinationen verbergen, die eine LiB mit unterschiedlichen Eigenschaften ausstatten.

Dabei hat Lithium den geringsten Anteil in einer Batterie. Laut einer Veröffentlichung des ADAC aus dem Jahr 2019 stecken in einer 400-kg-Antriebsbatterie 33 kg Graphit, 12 kg Nickel, 12 kg Kobalt, 11 kg Mangan und lediglich 4 kg Lithium. Deshalb ist es wichtig, die jeweilige Kathoden-Anoden-Kombination zu betrachten, um die Batterie eindeutig zu identifizieren und deren Eigenschaft und Eignung zu bestimmen. GS Yuasa arbeitet hier mit vier Kathoden-Anoden-Kombinationen:

Mangan
Mangan: hohe Energiedichte, gute Lade-/Entlade-Performance. (Bild: Shutterstock)

Lithium Cobalt Oxid 3,7 V / Z (LiCoO2, kurz LCO)

Diese Kombination verfügt über die höchste Energiedichte, ist allerdings aufgrund der limitierten Rohstoffverfügbarkeit auch entsprechend teuer. Laut der United States Geological Survey (USGS) von 2019 umfasst das weltweite Vorkommen hier nur rund 7 Millionen Tonnen. LiB mit dieser Technologie setzt GS Yuasa daher etwa in der Raumfahrt oder in Unterwasseranwendungen ein, wo Gewicht und Platz eine sehr wichtige Rolle spielen.

Nickel
Nickel: Hohe Energiedichte, akzeptable Kosten. (Bild: Shutterstock)

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.

Lithium Mangan Oxid 3,7 V/ Z (LiMn2O4, kurz LMO)

Die Zelle besitzt zwar eine geringere Energiedichte als LCO, bringt aber auch geringere Kosten bei einer sehr guten Lade-/Entladeperformance mit. Aufgrund der linearen SOC-Spannungscharakteristik ist hier zudem eine sehr gute SOC-Bestimmbarkeit (State of Charge, Ladezustand) möglich.

Diese LiB-Technologie eignet sich für ein breites industrielles Anwendungsfeld, insbesondere für die allgemeine Energiespeicherung, den Ausgleich von Lastspitzen sowie für die unterbrechungsfreie Stromversorgung. Laut USGS von 2019 gibt es ein weltweites Vorkommen von 810 Millionen Tonnen dieses Rohstoffs. Die bei GS Yuasa für industrielle Zwecke verwendete und favorisierte 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 ganze 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
Lithium-Eisen-Phosphate: aktuell am weitesten verbreitet. (Bild: Shutterstock)

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
Bild 1: SOC-OCV-Charakteristik von LMO und LPF. (Bild: GS Yuasa)

Lithium Eisen Phosphate 3,2 V/ Z (LiFePO4, kurz LFP)

Die aktuell wohl am weitesten verbreitete Form einer LiB hat eine breite Anwendung im Consumer- und industriellen Bereich. Im Gegensatz zum LMO-Typ liefert die LFP-Batterie eine sehr flache Entladekurve, sodass der SOC (State of Charge), also die verbleibende Restkapazität, sehr schwer zu bestimmen ist. Lithium per se hat laut USGS 2019 ein weltweites Vorkommen von 17 Millionen Tonnen. Auch hier bedeutet der Wert einen Engpass im Hinblick auf die Elektrifizierung des Verkehrs bzw. die Umsetzung der Elektromobilität.

Nicht nur die Rohstoffkombination spielt bei einer Li-Batterie eine wichtige Rolle, sondern auch die finale Form der Zelle. Die verschiedenen Bauformen bringen Vor- und Nachteile mit sich, die in der folgenden Übersicht dargestellt sind.

Batterie GS Yuasa
Bild 2: LIM50EL-Modul von GS YUASA. (Bild: GS Yuasa)

Rohstoffverfügbarkeit und Recycling

Diese Ausführungen verdeutlichen die knappe und teils monopolistische Rohstoffverfügbarkeit, die ein funktionierendes Recyclingverfahren voraussetzt. Wenn also beispielsweise die Elektrifizierung des Verkehrs erfolgreich sein soll, setzt das eine Rohstoff- und Recycling-Effizienz voraus. Vor dem Recyceln beginnt allerdings das „Second Life“ der Batterie, also ihre Zweitnutzung, die eine Wiederverwendung der gebrauchten Batterien aus Elektrofahrzeugen in stationären Anlagen zur Energiespeicherung vorsieht. Antriebsbatterien verfügen noch über eine Restkapazität von 70 - 80 Prozent, wenn sie sich nicht mehr für den Betrieb im Pkw eignen. Allerdings ist die LiB an dieser Stelle noch in einem SOH-Zustand (State of Health), der es verbietet, sie dem Recyclingprozess zuzuführen. So macht es Sinn, sie als stationären Speicher zu nutzen und ihre Gebrauchsdauer deutlich zu verlängern.

Der darauffolgende Recyclingprozess ist heute bereits grundsätzlich möglich, allerdings gibt es noch nicht genügend Batterien, um diesen Prozess ökonomisch im industriellen Maßstab sinnvoll zu betreiben.

Batterie GS Yuasa
Bild 7: Zellformen von Lithium-Batterien mit ihren Vor- und Nachteilen. (Bild: GS Yuasa)

Raphael Eckert

General Manager Sales & Marketing Components bei GS Yuasa

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