Lithium-Ionen-Zellen funktionieren nach den gleichen Prinzipien wie jede andere wiederaufladbare Batterie. Über einen externen Stromkreis fließt elektrische Ladung während des Entladens von einer Elektrode der Batterie zur anderen. Um diesen Ladungstransfer innerhalb der Zelle auszugleichen, wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen internen Elektrolyten von der positiven zur negativen Elektrode. Beim Laden wiederum läuft der Vorgang umgekehrt ab und die Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück.

Bild 1: Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Chemikalien in Lithium-Ionen-Zellen.

Bild 1: Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Chemikalien in Li-Ionen-Zellen. GS YUASA

Zur Herstellung der Elektrodenmaterialien eignen sich verschiedene Arten von Chemikalien, die Lithium-Ionen beinhalten. Diese Chemikalien lassen sich auf unterschiedliche Weise kombinieren, wobei jede Materialpaarung eine Zelle mit anderen elektrischen Eigenschaften ergibt (Bild 1). Somit ist die Auswahl der passenden Zelle für die entsprechende Anwendung äußerst wichtig. Zusätzlich kommt es darauf an, ausschließlich Zellen mit gleicher Chemie sowohl bei der erstmaligen Implementierung als auch beim Austausch der Zellen zu verwenden.

Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) beispielsweise bestehen aus einer Kombination aus einer negativen Elektrode aus Kohlenstoff und einer positiven Elektrode aus Eisenphosphat. Daraus ergibt sich eine Zelle mit einer Betriebsspannung von 3,2 V. Durch die Serienschaltung von vier dieser Zellen lässt sich zum Beispiel eine 12-V-Autobatterie herstellen, die kompatibel mit den meisten Fahrzeug-Bordnetzen ist. Dies wäre mit einer Lithium-Cobaltoxid-Zelle (LCO), deren Betriebsspannung 3,7 V beträgt, nicht möglich.

Die Zellenstruktur von Zellen mit größerer Kapazität gleicht einer prismatischen Konstruktion mit robuster Metallwand. So entsteht eine optimale Kombination aus Packungsdichte, Wärmemanagement und Schutz, wie sie für Anwendungen im Industrie- und Automobilbereich erforderlich ist.

Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien

Bild 2: Entladeraten im Vergleich: Lithium-Ionen-Batterie und Blei-Säure-Batterie.

Bild 2: Entladeraten im Vergleich: Lithium-Ionen-Batterie und Blei-Säure-Batterie. GS YUASA

Lithium-Ionen-Zellen sind den traditionellen Batterietechniken deutlich überlegen. Sie verfügen nicht nur über eine hohe Energiedichte, sondern auch über eine große Zahl an Entladezyklen, eine hohe Entladerate bei gleichbleibender Kapazität sowie über kurze Ladezeiten. Während sich die Lithium-Ionen-Batterie innerhalb einer Stunde wieder auflädt, benötigt eine Blei-Säure-Batterie über neun Stunden (Bild 2). Damit eignen sich Li-Ionen-Batterien insbesondere für Anwendungen, in denen die Ladeleistung oder Ladezeit begrenzt sein kann, zum Beispiel für Photovoltaik-Systeme oder Autos mit Start-Stopp-Automatik.

Bild 3: Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie in teilgeladenem Zustand.

Bild 3: Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie in teilgeladenem Zustand. GS YUASA

Selbst im teilgeladenen Zustand besitzt die Li-Ionen-Batterie noch hervorragende Eigenschaften: So wirkt sich ein dauerhaftes Betreiben der Zellen im teilgeladenen Zustand nicht negativ auf die Batterien aus (Bild 3). 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 (Bild 4). Damit bieten sie eine größere Flexibilität im Betrieb als etwa Blei-Säure-Batterien.

 

Warum Sicherheit und Standardisierung so wichtig sind, zeigt der Beitrag auf der nächsten Seite.

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