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 -> Li_1-xC₆ + xLi⁺ + xe^-

• Gleichung der positiven Elektrode

  • Li_yCoO₂ + xLi⁺ + xe^- -> Li_y+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.