Lithium Akkus
Einleitung
- Herstellung als primäre und sekundäre Zellen
- Lithium ist das leichteste feste Element im Periodensystem
- Lithium hat das höchste elechtrochemische Standardpotential
Sehr reaktiv mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff => Alkalimetall
- Weniger starke Reaktion mit Sauerstoff und Stickstoff. Bearbeitung nur unter Edelgasatmosphäre oder stark reduzierter Luftfeuchtigkeit entsprechend einem Taupunkt von -50°C
Erste Zellen mit Braunstein (MnO2) als Kathode und Lithium als Anode schon vor 40Jahren für Kameras oder Knopfzellen für Taschenrechner.
1991 erste Zellen mit LiCoO2 asl Kathodenmaterial.
- Japanisches Monopol bis ca. Jahr 2000
- Durchbruch durch die sog. Lithium-Polymer Technologie, die die Herstellung und Verpackung der Zellen deutlich erleichtert und Metallgehäuse überflüssig macht.
- 18650 Standardzellen. 18mm Durchmesser, 65mm Länge.
Elektroden
Positive Elektrode
- Stromableiter aus Aluminium. Cu korodiert an positiver Elektrode stark.
- Alternative zu Al: Nickel, aber zu teuer.
- Mindestdicke von Al heute: 15µm,jedoch 1/3 Leitfähigkeit von Cu, daher ok.
Negative Elektrode
- Stromableiter aus Kupfer. Al reagiert an negativer Elektrode mit Li.
- Alternative zu Cu: Nickel, aber zu teuer.
- Mindestdicke von Cu heute: 10µm
Lithium-Ionen vs. Lithium-Polymer-Zellen
Lithium-Ionen-Zellen
- Beide Elektroden enthalten das Aktivmaterial
- Definieren heute den Standard
- Benötigen ein festes Gehäuse um die Funktion zu gewährleisten.
Lithium-Polymer(Gel)
- Polymer-Technologie ~ Jahr 2000
- Elektrolyt wird in Polymermatrix fest fixiert.
- "coffee-bag"-Verpackung, kein festes Gehäuse notwendig.
- Große Flexiblität hinsichtlich der Formgebung des Gehäuses.
- Höherer Innenwiderstand aufgrund des Gels
- Verpackungsfreiheit lässt Zellen mit großer Oberfläche und guter Wärmeabfuhr zu.
- Kostenvorteil durch billigere Verpackung wird durch teuerere Materialien neutralisiert.
Lithium (Fest-) Polymer-Zellen
- Elektrolyt besteht aus einem Polymer, mit darin gelöstem Lithium-Salz
Ionen-Transport findet im Polymer statt => Erst ab 60-70°C funktionsfähig.
Markt und Anwendungen
- Handys und Digitalkameras
- Laptops
- Knopfzellen für Kleinstgeräte
- In Zukunft eventuell Power-Tools und Elektromobilität
Reaktionen
- Gleichung der Negativen Elektrode
Li1C6 -> Li1-xC6 + xLi+ + xe-
- Gleichung der positiven Elektrode
LiyCoO2 + xLi+ + xe- -> Liy+xCoO2
Eigenschaften
Alterung
- Unabhängig von der Nutzung weisen Li-Zellen eine limitierte kalendarische Lebensdauer von etwa 5 Jahren auf.
- Kapazitätsverlust durch Zyklisieren bedingt durch
- Wachstum von Deckschichten
- Kontaktverlust des Aktivmaterials durch Mechanische Arbeit der Elektrode
- Überladung führt zu Zersetzung des Elektolyten
- Tiefentladung führt zu Korrosion der Elektroden. Aus der Anode kann sich Kupfer lösen und zu Kurzschlüssen führen.
Optimaler Betrieb
- Bei der Ladung muss die Spannung mit einer Genauigkeit von mindestens 40mV eingehalten werden
- Erwärmung, insbesondere ungliechmäßige Erwärmung ist zu vermeiden.
- Um die Lebensdauer zu Maximieren sollten die Zellen einen Mittleren Ladezustand von 30% - 70% haben. Optimalerweise sollten die Zellen erst unmittelbar vor dem Gebrauch auf 90% geladen werden.
- Auffrischzyklen sind nicht Sinnvoll, da die Zelle nur unnötig altert.
- Lagerung bei 30% und Nachladung alle 6 Monate.
- Lagertemperatur so niedrig wie möglich.