Wie funktionieren Lithium-Batterien? | DE
Die bahnbrechende Arbeit an der Lithium-Batterie begann 1912 unter G.N. Lewis, aber erst Anfang der 1970er Jahre wurden die ersten nicht wiederaufladbaren Lithium-Batterien kommerziell verfügbar. Versuche, wiederaufladbare Lithium-Batterien zu entwickeln, folgten in den 1980er Jahren, scheiterten jedoch aufgrund von Instabilitäten im metallischen Lithium, das als Anodenmaterial verwendet wurde. (Die Metall-Lithium-Batterie verwendet Lithium als Anode; Li-Ion verwendet Graphit als Anode und aktive Materialien in der Kathode.)
Lithium ist das leichteste aller Metalle, hat das größte elektrochemische Potenzial und bietet die größte spezifische Energie pro Gewicht. Wiederaufladbare Batterien mit Lithiummetall auf der Anode könnten außergewöhnlich hohe Energiedichten liefern. Es wurde jedoch Mitte der 1980er Jahre entdeckt, dass beim Zyklieren unerwünschte Dendriten auf der Anode entstehen. Diese Wachstumspartikel durchdringen den Separator und verursachen einen elektrischen Kurzschluss. Die Zelltemperatur würde schnell ansteigen und den Schmelzpunkt von Lithium erreichen, was zu einer thermischen Entladung führt, auch bekannt als „Ventilieren mit Flamme“. Nachdem eine große Anzahl wiederaufladbarer metallischer Lithium-Batterien nach Japan geschickt worden war, wurden sie 1991 zurückgerufen, nachdem eine Batterie in einem Mobiltelefon flammende Gase freigesetzt und einem Mann Verbrennungen im Gesicht zugefügt hatte.
Die inhärente Instabilität von Lithiummetall, insbesondere beim Laden, verlagerte die Forschung auf eine nichtmetallische Lösung unter Verwendung von Lithiumionen. 1991 brachte Sony den ersten Li-Ion auf den Markt, und heute ist diese Chemie die vielversprechendste und am schnellsten wachsende Batterie auf dem Markt geworden. Obwohl Li-Ion eine geringere spezifische Energie als Lithium-Metall hat, ist es sicher, vorausgesetzt, dass die Spannungs- und Stromgrenzen eingehalten werden.
Dem Erfinder der Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie, John B. Goodenough (1922), gebührt das Verdienst.
Der Schlüssel zur überlegenen spezifischen Energie ist die hohe Zellspannung von 3,60 V. Verbesserungen bei den aktiven Materialien und Elektrolyten haben das Potenzial, die Energiedichte weiter zu steigern. Die Lastcharakteristik ist gut und die flache Entladekurve bietet eine effektive Nutzung der gespeicherten Energie in einem wünschenswerten und flachen Spannungsspektrum von 3,70–2,80 V/Zelle.
1994 betrug der Herstellungspreis für Li-Ionen im 18650-Zylindertyp über 10 US-Dollar und die Kapazität betrug 1100 mAh. Im Jahr 2001 fiel der Preis auf unter 3 US-Dollar, während die Kapazität auf 1900 mAh stieg. Heutzutage liefern energiedichte 18650-Zellen über 3000 mAh, und die Kosten sinken. Kostensenkungen, eine erhöhte spezifische Energie und das Fehlen von Giftstoffen ebneten den Weg, um Li-Ion zur universell akzeptierten Batterie für tragbare Anwendungen, schwere Industrien, elektrische Antriebe und Satelliten zu machen. Die 18650 hat einen Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 65 mm.
Li-Ion ist eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemien nicht beanspruchen können. Die Batterie hat kein Gedächtnis und muss nicht „trainiert“ werden (vollständige Entladung), um sie in gutem Zustand zu halten. Die Selbstentladung ist weniger als halb so hoch wie die von nickelbasierten Systemen, und dies trägt zur Anzeige der Kraftstoffmenge bei. Die nominale Zellspannung von 3,60 V kann Mobiltelefone, Tablets und Digitalkameras direkt mit Strom versorgen und bietet Vereinfachungen und Kosteneinsparungen gegenüber Mehrzellenentwürfen. Die Nachteile sind die Notwendigkeit von Schutzschaltungen, um Missbrauch zu verhindern, sowie der hohe Preis.
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