Lithium-Ionen-Batterie und welche Technologie dahinter steckt

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.

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.

In unsere Übersicht beleuchten wir das Thema von vielen Seiten. Für eine bessere Übersicht können Sie mit diesem Inhaltsverzeichnis zu bestimmten Aspekten per Klick springen.

• Was sind Lithium-Ionen-Batterien?
• Wissen am Rand: 9 Fakten über Lithium
• Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?
• Wie ist eine Lithium-Ionen-Zelle aufgebaut?
• Was sind die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien?
• Was sind die Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien?
• Wie altern Lithium-Ionen-Akkus?
• Warum brauchen Lithium-Ionen-Batterien ein Batterie-Management-System?
• Welche "besonderen" Li-Ion-Batterien gibt es
• Warum Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien wachsen
• Wie lassen sich Dendrite in Lithium-Ionen-Batterien verhindern?
• Welche Arten von Lithium-Zellen gibt es?
  • Lithium Cobalt Oxid 3,7 V / Z (LiCoO2, kurz LCO)
  • Lithium Mangan Oxid 3,7 V/ Z (LiMn2O4, kurz LMO)
  • Lithium Nickel Mangan Kobalt 3,7 V /Z (LiaNixMnyCozO2, kurz NMC)
  • Lithium Eisen Phosphate 3,2 V/ Z (LiFePO4, kurz LFP)
• Lohnt sich der Einsatz von Li-Ionen-Batterien in USV-Anlagen?
• Rohstoffverfügbarkeit und Recycling bei Lithium-Ionen-Batterien
• Wie entwickelt sich die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus?
• Wie verändern die EU-Vorschriften bis 2024 den Batteriemarkt für Smartphones und E-Mobilität?

Was sind Lithium-Ionen-Batterien

Ganz allgemein gesprochen sind Lithium-Ionen-Batterien Energiequellen, die auf der Bewegung von Lithium-Ionen zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode basieren. Im Falle von Lithium-Ionen-Akkus sind auch wiederaufladbar. Sie sind in vielen elektronischen Geräten weit verbreitet, da sie eine hohe Energiedichte aufweisen, was bedeutet, dass sie viel Energie in einem relativ kleinen und leichten Paket speichern können. Zu den häufigsten Anwendungen gehören Mobiltelefone, Laptops, Digitalkameras und Elektrofahrzeuge. Im Vergleich zu anderen Batterietypen haben sie eine längere Lebensdauer und neigen weniger zur Selbstentladung bei Nichtgebrauch.

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Lithium-Ionen-Zellen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie andere wiederaufladbare Batterien, also sie verwandeln chemische Energie in elektrische Energie in Form von Strom. Dazu fließt während des Entladens elektrische Ladung über einen äußeren Stromkreis von einer Elektrode des Akkus zur anderen. Um diesen Ladungstransfer innerhalb der Zelle auszugleichen, wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen internen Elektrolyten von der positiven zur negativen Elektrode. In einer klassischen Batterie ist dieser Prozess allerdings unumkehrbar. Das heißt: Sind die Elektronen erst einmal von der einen auf die andere Seite geflossen, ist es vorbei - das Licht geht aus, die Batterie ist leer und muss ausgetauscht werden. Akkus lassen sich jedoch aufladen, wobei der Prozess umgekehrt abläuft und die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zurückwandern .

Batterien bestehen im Wesentlichen aus vier Teilen: Der so genannten Kathode, dem Pluspol, und der Anode, dem Minuspol. Dazwischen befindet sich eine Art Trennschicht, der so genannte Separator. Er verhindert, dass sich Kathode und Anode berühren. Das Ganze ist mit einer Flüssigkeit getränkt, dem Elektrolyt, in dem die geladenen Teilchen wandern können.

Wie ist eine Lithium-Ionen-Zelle aufgebaut?

Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer Kathode und einer Anode, umgeben von einer extrem reinen und wasserfreien Elektrolyt-Flüssigkeit, welche für den optimalen Transport der Lithium-Ionen verantwortlich ist. Aktuell besteht die Anode meist aus Kohlenstoff (C) in Form von Graphit zur Einlagerung der Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der Kathode. Ein mikroporöser Separator, welcher nur für die Lithium-Ionen durchlässig ist, trennt die Kathode mit Aluminiumelektrode elektrisch von der Anode mit Kupferelektrode.

Was sind die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Zellen sind herkömmlichen Batterietechnologien deutlich überlegen. 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.
• Schnelles Aufladen: Während eine Lithium-Ionen-Batterie innerhalb einer Stunde wieder aufgeladen ist, benötigt eine Blei-Säure-Batterie mehr als neun Stunden. Lithium-Ionen-Batterien eignen sich daher besonders für Anwendungen, bei denen die Ladeleistung oder die Ladezeit begrenzt ist, zum Beispiel für Photovoltaikanlagen oder Autos mit Start-Stopp-Automatik.

Des Weitere besitzt die Li-Ionen-Batterie selbst im teilgeladenen Zustand besitzt noch hervorragende Eigenschaften: So wirkt sich ein dauerhaftes Betreiben der Zellen im teilgeladenen Zustand nicht negativ auf die Batterien aus. Zu den positiven Eigenschaften zählt außerdem eine sichere Stromversorgung die Li-Ionen-Batterien gewährleisten, zumal Batteriemanagement-Systeme die Fehlererkennung und die Weiterleitung von Informationen übernehmen. Ihr Ladetemperaturbereich ist groß und es besteht keine Spannungskompensation. Damit bieten sie eine größere Flexibilität im Betrieb als etwa Blei-Säure-Batterien.

Auch das Wärmemanagement fällt bei der Li-Ionen-Batterie deutlich kostengünstiger aus. Während bei einer Blei-Säure-Batterie eine Klimatisierung erforderlich ist, genügt bei der Li-Ionen-Batterie die Luftzirkulation. Denn diese besitzt eine sehr geringe Wärmeabgabe, die durch Ineffizienzen beim Laden entsteht. Außerdem gibt sie beim Laden keine Gase ab. Damit eignet sie sich für abgedichtete Behälter und lässt sich in geschlossenen Gehäusen komplett isoliert von ihrer Umgebung betreiben. Bei Blei-Säure-Batterien hingegen ist eine Wasserstoff-Ventilation nötig. Schließlich sind Li-Ionen-Batterien frei von toxischen Stoffen wie Cadmium, Quecksilber oder Blei und damit ungiftig. Es bestehen keine Recycling-Vorgaben, auch wenn die Zellen am Ende ihrer Nutzungszeit recycelt werden sollten.

Energie- und Leistungsdichten verschiedener Energiespeicher

Was sind die Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien?

Den ganzen Vorteilen stehen (natürlich) auch Nachteile gegenüber. Dazu zählen

• Preis: Sie sind in der Regel teurer in der Herstellung und im Verkauf als andere Batterietypen.
• Überhitzungs- und Entzündungsgefahr: Bei Beschädigung oder falscher Ladung können Lithium-Ionen-Batterien überhitzen und in einigen Fällen sogar Feuer fangen.
• Gewicht: Für einige Anwendungen, insbesondere in der Elektrofahrzeugindustrie, kann das Gewicht der Batterien ein Nachteil sein.
• Begrenzung der Ladezyklen: Lithium-Ionen-Batterien haben eine begrenzte Anzahl von Ladezyklen, d. h. sie verlieren nach einer bestimmten Anzahl von Lade- und Entladezyklen an Kapazität.
• Schutzschaltungen erforderlich: Um einen sicheren Betrieb der Batterien zu gewährleisten, sind spezielle Schutzschaltungen erforderlich, die Überladung, Tiefentladung und Überstrom verhindern.
• Auswirkungen auf die Umwelt: Die Entsorgung von Lithium-Ionen-Batterien kann problematisch sein, da sie giftige Chemikalien enthalten. Außerdem ist der Abbau der in den Batterien verwendeten Rohstoffe oft mit erheblichen Umweltauswirkungen verbunden.

Wie altern Lithium-Ionen-Akkus

Bei jedem Vollzyklus ist die Lithium-Ionen-Zelle chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen unterworfen, die eine Alterung der Zelle verursachen. Insbesondere das Laden mit hohen Strömen (Schnellladung) sowie bei tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating an der Anode führen. Hierbei lagern sich die Lithium-Ionen nicht wie vorgesehen in die Graphit-Schichtstruktur der Anode ein, sondern werden an der Oberfläche der Graphitanode metallisch abgeschieden und führen so zu erheblichen Leistungseinbußen oder gar Kurzschlüssen innerhalb der Zelle. Hohe Ladeschlussspannungen oder gar Überladungen führen ebenfalls zu einer starken Wärmeentwicklung, Ausdehnung und Belastung der Lithium-Ionen-Zelle.

Auf den Energiespeicher optimierte Lade- und Entladeprofile mit angepassten Ladeschlussspannungen und Entladetiefen sowie der Einsatz eines Batterie-Management-Systems (BMS) schonen die Materialien der Lithium-Ionen-Zelle und sorgen für eine lange Lebensdauer. Hinsichtlich der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien sollten Anwender diese trotz der äußerst geringen Selbstentladung regelmäßig nachladen, um eine Tiefenentladung und die damit verbundene Destabilisierung der Zellchemie zu vermeiden.

Warum brauchen Lithium-Ionen-Batterien ein Batterie-Management-System?

Neben der Optimierung von Lebensdauer von Lithium-Ionen-Energiespeichern übernimmt das Batterie-Management-System noch weitere Aufgaben. Es überwacht und steuert den kompletten Lade- und Entladevorgang jeder Batteriezelle des Energiespeichers. Das trägt ebenfalls zur Sicherheit der Zelle bei. Eine weitere Kernaufgabe des BMS ist das Cell-Balancing. Innerhalb eines Energiespeichers werden zur Erhöhung der Nennspannung mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlich starker Alterung der Zellen unterscheiden sich diese in Kapazität und Innenwiderstand. Die Leistungsfähigkeit und Gesamtkapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks richtet sich in diesem Fall nach der schwächsten Zelle im Verbund, da diese beim Ladevorgang als erste den Spannungsgrenzwert für die Ladebegrenzung erreicht und somit die vollständige Aufladung der restlichen Zellen verhindert (Bild 8). Dies beeinflusst Lebensdauer, Zyklenanzahl und Kapazität des Energiespeichers negativ und kann letztlich sogar die Beschädigung des Batteriepacks hervorrufen. Das Cell-Balancing gleicht diese Unterschiede zwischen den einzelnen Verbund-Batteriezellen durch eine entsprechende Beschaltung aus und sorgt für eine ausgewogene und gleichmäßige Ladung aller Zellen, sodass die volle Kapazität des Lithium-Ionen-Batteriepacks nutzbar bleibt und keine kritischen Extremsituationen an einzelnen Zellen entstehen. Daneben übernimmt es noch weitere Aufgaben:

• Batterietyp-Authentifizierung zur automatischen Einstellung der passenden Ladeschlussspannung (BMS übermittelt Batterie-ID an USV-Steuereinheit)
• Ladezustandsanzeige und SOC-Überwachung (State of Charge)
• Überwachung der Zellspannungen
• Stromfluss-Überwachung
• Battery-Health- und Zyklen-Monitoring
• Temperaturüberwachung des Batteriepacks mit Abschaltung bei Über-/Untertemperatur
• Schutz vor Über-/Unterspannung an den Zellen, Überstrom und Tiefenentladung
• Trennung des Hauptstrompfades bei Kurzschluss

Welche "besonderen" Li-Ion-Batterien gibt es

Natürlich ist die Forschung zu den Energiespeichern in vollem Gang. Dabei sind auch spezielle Typen entstanden, von denen wir an dieser Stelle zwei stellvertretend vorstellen wollen.

Das chinesische Hightech-Unternehmen Svolt Energy Technology kündigte beispielsweise 2021 die Vermarktung einer Lithium-Ionen-Batterien an, die eine Ableiterfolientechnologie von Soteria Battery Innovation Group (BIG) verwenden. Soteria BIG ist ein Konsortium aus über 100 Mitgliedern zur Batterieforschung, zu denen Svolt seit 2019 gehört. Diese Technologie unterbindet das Auftreten eines Thermal Runaway, der durch Produktionsverunreinigungen oder Kurzschlüsse bei Unfällen entstehen kann, wodurch die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erheblich erhöht wird. Die Soteria-Technologie verwendet faserbasierte Separatoren, bestehend aus Zellulose- und Aramidfasern, die eine hohe thermische Beständigkeit haben. Dies ermöglicht, dass die Batterien auch nach Schäden weiterarbeiten, was besonders bei Verkehrsunfällen oder in fliegenden Drohnen und Elektroflugzeugen von großer Bedeutung ist.

Ingenieure der University of California San Diego haben außerdem eine Methode entwickelt, mit der Lithium-Metall-Batterien auch bei extrem niedrigen Temperaturen von -60 °C aufgeladen werden können. Der Schlüssel dazu ist der Einsatz von schwach bindenden Elektrolyten. Bei Tests behielt die Batterie 84% ihrer Kapazität bei -40 °C und 76% bei -60 °C über 50 Zyklen. Dies unterscheidet sich von anderen Lithium-Batterien, die sich bei Kälte entladen können, aber zum Aufladen Wärme benötigen.

Die Studie zeigte, dass die Bindung zwischen Lithium-Ionen und Elektrolyt sowie deren Struktur entscheidend für die Funktion der Batterie bei niedrigen Temperaturen ist. Batteriezellen mit schwach bindendem Elektrolyten funktionierten bei -60 °C noch nach 50 Zyklen, während solche mit stark bindendem Elektrolyten nach nur zwei Zyklen ausfielen.

Diese Interaktionen auf atomarer Ebene verhinderten nicht nur das Auftreten von Dendriten, sondern beeinflussten auch, wie Lithium auf der Anode abgelagert wurde. Bei Verwendung von schwach bindenden Elektrolyten waren die Ablagerungen glatt und gleichmäßig. Das Team entwickelte auch eine schwefelbasierte Kathode, die bei niedrigen Temperaturen funktionierte und aus umweltfreundlichen Materialien bestand.

Warum Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien wachsen

Früher war nicht bekannt, warum Metalle wie Lithium beim Aufladen an der Anode Dendriten bilden, Silber oder Kupfer hingegen nicht. Wissenschaftler der Universität Ulm haben 2021 herausgefunden, warum sich beim Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien im Inneren der Akkus astartige Strukturen (Dendrite) bilden, die zu Kurzschlüssen und in der Folge zu einem Brand des Akkus führen können. Prof. Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos von der Universität Ulm haben nun ein Modell auf atomarer Ebene entwickelt, das erklärt, wie und warum Dendriten entstehen. Ihre Forschungsergebnisse sind als ‚Hot paper‘ in der Fachzeitschrift ‚Angewandte Chemie‘ erschienen.

Die beiden Wissenschaftler haben quantenchemische Berechnungen mithilfe einer Weiterentwicklung der Density-functional theory (DFBT+) durchgeführt. Ihre Ergebnisse legen folgendes Szenario für die Dendritenbildung nahe: Jedes Metall verfügt über einen so genannten Ladungsnullpunkt. Wird das Metall bei Potentialen unterhalb dieses Ladungsnullpunkts – also bei einer negativ geladenen Elektrode – abgeschieden, entstehen die kristallartigen Dendriten. „Bei der Abscheidung bilden sich immer wieder kleine Unebenheiten wie Vorsprünge auf der Oberfläche“, erklärt Prof. Schmickler. „Den Gesetzen der Elektrostatik folgend, konzentriert sich die negative Ladung auf den Spitzen solcher Cluster und zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen an. Somit wachsen diese Spitzen weiter und bilden schließlich Dendriten.“ Bei Metallen wie Kupfer oder Silber ist die Oberfläche bei der Abscheidung positiv geladen. „Bildet sich dort ein kleiner Vorsprung auf der Oberfläche, sammelt sich eine positive Ladung an“, erläutert Dr. Elizabeth Santos. „Diese stößt die positiv geladenen Metall-Ionen ab, das Cluster kann nicht weiter wachsen und Dendriten bilden.“ Darüber hinaus konnten die Forscher ein weiteres Phänomen nachweisen, das zur Dendritenbildung beiträgt: Die negative Ladung verkleinert die Oberflächenspannung und fördert damit die Entstehung von Vorsprüngen auf der Oberfläche.

Wie lassen sich Dendrite in Lithium-Ionen-Batterien verhindern?

Das Wachstum von Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien kann entsprechend durch verschiedene Methoden verhindert werden:

• Oberflächenbeschichtungen: Oberflächenbeschichtungen können auf die Lithium-Metall-Anode aufgebracht werden, um Dendritenwachstum zu verhindern. Diese Beschichtungen können aus Materialien wie Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) oder Lithium-Nitrid (Li₃N) bestehen.
• Elektrolytzusätze: Elektrolytzusätze können verwendet werden, um Dendritenwachstum zu verhindern, indem sie eine Schutzschicht auf der Oberfläche der Lithium-Metall-Anode bilden. Diese Zusätze können aus Materialien wie Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB) oder Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) bestehen.
• Temperaturkontrolle: Das Dendritenwachstum kann durch Kontrolle der Batterietemperatur während des Ladens und Entladens reduziert werden. Niedrigere Temperaturen können das Dendritenwachstum verlangsamen, höhere Temperaturen können es beschleunigen.
• Strombegrenzung: Eine Strombegrenzung während des Ladens kann das Dendritenwachstum ebenfalls reduzieren. Niedrigere Ströme können die Konzentration positiver Ladungen auf der Anodenoberfläche verringern, was die Bildung von Dendriten verhindern kann.
• Hybridmembranen: Forscher der Universität Jena haben eine Hybridmembran entwickelt, die das Dendritenwachstum in Lithium-Metall-Batterien verhindern kann. Die Membran besteht aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Nanomaterial, das den Kationentransport durch ultradünne poröse Kohlenstoffschichten im Subnanometerbereich reguliert. Diese Membran kann die Keimbildung von Dendriten verhindern und so die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien verdoppeln.

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:

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.

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.

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. NIMC-Zellen gibt es in verschiedenen Varianten: beispielsweise NMC111, NMC622 und NMC811. Die Zahlen geben dabei das das Verhältnis der Metalle Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kobalt (Co) in der Kathode an. Bei NMC811 sind es somit 8 Teile Nickel, 1 Teil Mangan und 1 Teil Kobalt.

NMC ist preiswerter als das bisher häufig verwendete Lithium-Kobalt(III)-Oxid LiCoO2, da Kobalt und Kobaltoxide relativ teuer sind. Im Gegensatz zum relativ umweltfreundlichen Lithiumeisenphosphat ist NMC, wie viele Nickel- und Kobaltverbindungen, vergleichsweise gefährlich und kann vermutlich Krebs erzeugen, wenn es in den Körper gelangt.

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.

Lohnt sich der Einsatz von Li-Ionen-Batterien in USV-Anlagen?

Meist kommen VRLA-Batterien (Valve Regulated Lead Acid, Bleibatterien) als Notstromspeicher für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) zum Einsatz. Allerdings sprechen immer mehr Faktoren für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien. Beispielsweise benötigen VRLA-Batterien eine optimale Umgebungstemperatur von 20 °C, und jede 10 °C Erhöhung halbiert ihre Lebensdauer, was in Rechenzentren Herausforderungen bei der Kühlung mit sich bringt. Im Gegensatz dazu sind Li-Ionen-Batterien weniger temperaturempfindlich, was ihre Lebensdauer verlängert und die Abhängigkeit von Klimatisierung reduziert, was wiederum den Stromverbrauch, die Kosten und den CO₂-Ausstoß senkt. Li-Ionen-Batterien können bei bis zu 20 °C höheren oder 30 °C niedrigeren Temperaturen ohne Kapazitätsverluste betrieben werden, was sie besonders für Rechenzentren attraktiv macht, die bei über 25 °C arbeiten und somit möglicherweise auf Klimatisierung verzichten können.

Dazu kommt die längere Lebensdauer: Lithium-Ionen-Batterien haben eine längere Lebensdauer im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien. Während auf 10 Jahre ausgelegte Blei-Säure-Batterien oft alle 7 bis 8 Jahre ausgetauscht werden müssen, sind Lithium-Ionen-Batterien auf 13-15 Jahre ausgelegt. Platzersparnis ist ein weiterer Vorteil der Li-Ionen-Batterie. In den meisten Rechenzentren gibt es genug Platz, um Blei-Säure-Batterien problemlos unterzubringen. Beim Ausbau kann der Platz jedoch zur Mangelware werden. Allerdings benötigen Li-Ionen-Batterien ein Drittel des Volumens eines entsprechenden VRLA-Blocks und wiegen ein Viertel davon. Diese Platzeinsparung bieten kleinen, regionalen Edge-Rechenzentren einen entscheidenden Vorteil.

Warum ist man nicht schon längst auf diese Technologie gewechselt, wenn doch die Vorteile überwiegen? Bisher haben die hohen Anschaffungskosten gegen einen Wechsel gesprochen. Doch durch die Weiterentwicklung speziell in der Automobilbranche sind in den letzten Jahren die Preise deutlich gesunken.

Neben den Anschaffungskosten sprachen in der Vergangenheit auch Sicherheitsbedenken gegen den Wechsel. Inzwischen ist die Technologie jedoch vorangeschritten. Das Management und die Überprüfung der Li-Ionen-Batterien regelt die Norm IEC62619. Diese wurde speziell auf die Kontrollsysteme bei industriellen Batterien ausgelegt und wurde bereits vor über 2 Jahren eingeführt.

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.

Wie entwickelt sich der Preis und die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus?

Die Elektrifizierung der Transportinfrastrukturen und Energieversorgung setzt einen starken Ausbau der Speicherkapazitäten zur flexiblen Nutzung von Elektrizität voraus. Bis 2030 soll die Nachfrage nach den vor allem verwendeten Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen auf 2 Terawattstunden ansteigen, etwa zwei Drittel der gesamten Nachfrage nach Batteriekapazitäten. Die angekündigte Menge an Speicherkapazität durch Lithium-Ionen-Batterien soll laut Quelle im selben Jahr bereits bei 4,2 Terawattstunden liegen.

Die Grafik des iwd zeigt die Preisentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien im Zeitraum von 2013 bis 2022. Es ist zu erkennen, dass der durchschnittliche Preis pro Kilowattstunde, inflationsbereinigt in Dollar, kontinuierlich gesunken ist. Die von Bloomberg NEF zur Verfügung gestellten Daten zeigen separate Linien für die Komponenten der Batterie: die Batteriezellen selbst, die Zellgehäuse und den Gesamtpreis. Das Bild zeigt deutlich, wie stark die Kosten gesunken sind, insbesondere bei den Batteriezellen von 732 Dollar auf 151 Dollar. Diese Entwicklung spiegelt Fortschritte in der Produktionseffizienz und Skaleneffekte wider, die zu einer breiteren Akzeptanz und Anwendung der Lithium-Ionen-Technologie in verschiedenen Sektoren führen könnten.

Wie verändern die EU-Vorschriften bis 2024 den Batteriemarkt für Smartphones und E-Mobilität?

Bis 2024 sollen laut EU-Parlament Gerätebatterien in Smartphones, Elektrorollern und Elektrofahrrädern so gestaltet sein, dass sie von Verbrauchern und unabhängigen Betreibern einfach und sicher entnommen werden können. Das Parlament empfiehlt strengere Regeln für die Haltbarkeit, Leistung und Kennzeichnung solcher Batterien. Außerdem soll eine neue Kategorie "Batterien für leichte Verkehrsmittel" eingeführt werden, und es sollen Regeln für die Kennzeichnung des CO₂-Fußabdrucks festgelegt werden. Die Industrie soll sicherstellen, dass bei der Herstellung von Batterien die Menschenrechte geachtet und Risiken bei der Beschaffung von Rohstoffen angegangen werden. Außerdem werden Mindestwerte für die Rückgewinnung bestimmter Materialien aus Batterieabfällen festgelegt. Das Parlament wird über diese neuen Vorschriften verhandeln, die den gesamten Lebenszyklus von Batterien abdecken. Die Bedeutung von Batterien für den Übergang zu einer nachhaltigen Wirtschaft wird hervorgehoben. Die Vorschläge stehen im Zusammenhang mit dem europäischen Green Deal und anderen Nachhaltigkeitsinitiativen. Batterien gelten als Schlüsseltechnologie für nachhaltige Mobilität und die Speicherung erneuerbarer Energien.

Anm. d. Red.: Der Beitrag beruht auf einem Artikel von Raphael Eckert, General Manager Sales & Marketing Components bei GS Yuasa