Batterietechnik

Batterien - erklärt von Zellformaten bis zur Chemie

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Batterien sind hochkomplexe elektrochemische Systeme, bei denen unterschiedliche Zellformate und chemische Verfahren zum Einsatz kommen. Auch die Prozesse im Inneren der Batterie verdienen besondere Aufmerksamkeit.

• Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen sind die am häufigsten verwendeten Zellformate.
• An der Kathode gibt es erhebliche Unterschiede in der Zellchemie, während an der Anode in den meisten Fällen Graphit verwendet wird.
• Lithium-Ionen diffundieren von der Kathode zur Anode und umgekehrt, wodurch die Batterie geladen bzw. entladen wird.

Mit zunehmender Elektrifizierung nimmt die Bedeutung von Batterien stetig zu. Aufgrund der unzähligen Anwendungsbereiche und der unterschiedlichen Anforderungen an Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute viele verschiedene Batterietypen auf dem Markt. Eine Li-Ion-Batterie als Ganzes ist in der Regel ein Pack, das in Module unterteilt ist. Das Batteriemodul wiederum stellt eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Zellen dar. Die Magie der Energiespeicherung findet in diesen Zellen statt, weshalb wir uns diese näher ansehen werden. Die Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batteriezellen werden in Bezug auf Formate, Materialien, Zusammensetzung und Verfahren näher erläutert.

Zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen sind die vorherrschenden Formate

Die grundlegende Funktionsweise von Li-Ion-Batterien beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Zelle: Galvanische Zellen speichern chemische Energie und können elektrische Energie abgeben. Ein galvanisches Element besteht aus zwei metallischen Elektroden, die in einen Elektrolyten getaucht sind. Im Falle der Li-Ionen-Batterie sind es Ionen, die aufgrund der Ladungserhaltung durch den ionenleitenden Elektrolyten (Medium) diffundieren. Infolgedessen bewegen sich kleine, negativ geladene Teilchen (Elektronen) im äußeren Kreislauf von der Anode zur Kathode der Batterie und verrichten dabei die elektrische Arbeit. Derzeit gibt es drei vorherrschende Zellformate für Lithium-Ionen-Batterien: zylindrisch, prismatisch und Pouch.

Zylindrische Zellen bestehen aus einer massiven, metallischen Außenhülle. Aktive Schichten sind um die innere Elektrode gewickelt. Bei diesem Batterietyp sind die Pole einander gegenüber angeordnet. Elektroden und Separatoren sind zusammen gewickelt, wodurch sie ihre zylindrische Form erhalten. Zylindrische Zellen haben nach den prismatischen Zellen die zweithöchste Energiedichte. Dies ist auf die hohe Packungsdichte zurückzuführen, da auf kleinstem Bauraum mehr aktives Material untergebracht werden kann. Außerdem ist die Herstellung der zylindrischen Zelle kostengünstig. Der Nachteil dieses Zellformats ist jedoch der komplizierte Montageprozess und das Kühlsystem sowie der Überwachungsaufwand im Betrieb. Tesla verwendet zylindrische Zellen in allen seinen Elektrofahrzeugen.

Prismatische Zellen bestehen aus einem massiven, metallischen Gehäuse in kubischer Form. Elektroden und Separatoren sind schichtweise übereinander gestapelt. Die Batteriepole sind typischerweise auf der oberen flachen Seite an den Außenkanten angeordnet. Die große bauartbedingte Oberfläche ermöglicht eine gute Wärmeleitfähigkeit für die Wärmeübertragung und die Zellen können platzsparend gestapelt werden. Das prismatische Format bietet ein einfaches Montageverfahren, aber einen komplizierten Konstruktions- und Produktionsprozess, was sie für den Verbraucher wiederum teurer macht. BMW verwendet prismatische Zellen in seinem ersten vollelektrischen Fahrzeug, dem i3.

Pouch-Zellen bestehen aus gefalteten aktiven Schichten, die von einer flexiblen, meist aluminiumbasierten Außenfolie umgeben sind. Daher werden Pouch-Zellen im Modul eingerahmt und verspannt, um ein gleichmäßiges Druck- und Alterungsverhalten zu erzeugen. Die Batteriepole werden meist als dünne, metallische Stromabnehmer nach außen geführt. Pouch-Zellen können aufgrund des Fehlens massiver Außengehäuse in nahezu beliebiger Größe hergestellt werden. Sie haben durch diese äußere Form eine gute Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeübertragung (Kühlung), sind aber anfällig für Beschädigungen. Pouch-Zellen waren die erste Wahl für Jaguar bei der Einführung des i-Pace.

Lithium-Ionen diffundieren von der Kathode zur Anode und umgekehrt und laden bzw. entladen die Batterie
Die zentralen Bestandteile einer Li-Ionen-Batterie sind die beiden Elektroden, der Elektrolyt und der Separator. Der Separator trennt die Anode räumlich und elektrisch von der Kathode, ist aber für Lithium-Ionen durchlässig. Der Elektrolyt, das Medium für den Ionenaustausch, ist eine Flüssigkeit, die beim Laden/Entladen Ionen von einer Elektrode zur anderen transportieren kann.

Wenn eine Batterie entladen wird, diffundieren die Lithium-Ionen von der Anode in den Elektrolyten durch den Separator zur Kathode, wo sie gespeichert werden. Gleichzeitig nimmt die Kathode für jedes gespeicherte Lithium-Ion (Li+) ein Elektron auf, um die Ladung auszugleichen. Die Elektronen, die die Kathode zur Speicherung der Lithium-Ionen benötigt, stammen von der Anode, mit der sie über den externen Stromkreis verbunden ist. Die entnommenen Elektronen oxidieren das Anodenmaterial, und je nach Anzahl der fehlenden Elektronen werden Lithiumionen in den Elektrolyten abgegeben.

Kathoden- und Anodenmaterialien bestimmen die Leistung von Batterien

Kein Batterietyp ist so vielseitig wie Li-Ion-Batterien. Sie können mit Dutzenden von Elektrodenmaterialien hergestellt werden - alle mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Für die Kathode werden verschiedene Materialien verwendet. Li-Ion-Kathoden bestehen aus einem Stromkollektor (in der Regel Aluminiumfolie), auf dem ein aktives Material aufgebracht ist, in dem Li-Ion gespeichert werden kann. Lithiumkobaltoxid (LCO) ist ein mögliches Kathodenmaterial. Sie haben eine hohe Energiedichte, sind aber im Vergleich zu anderen Materialien nicht sehr temperaturbeständig. Die Brandgefahr und die begrenzte Ladekapazität sind einige der Nachteile des LCO-Materials. Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NMC) ist das am meisten verwendete Lithium-Ionen-System. Es bietet einen Kompromiss aus guter allgemeiner elektrochemischer Leistung, hoher Energiedichte und Kosten. Darüber hinaus wird Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als Kathodenmaterial verwendet, das ähnlich wie NMC eine hohe Energiedichte und Haltbarkeit bietet, jedoch Nachteile in Bezug auf Kosten und Sicherheit aufweist. Lithiumeisenphosphat (LFP) hat eine bessere thermische und chemische Stabilität. Aus diesem Grund sind sie sehr sichere Batterien, feuerfest und widerstandsfähiger und haben eine längere Lebensdauer als andere Materialien. Der Nachteil dieses Materials ist die niedrige Nennspannung und damit die geringe Energiedichte.

Li-Ionen-Anoden bestehen aus einem Stromkollektor (meist Kupferfolie), auf den ein aktives Material aufgebracht ist, in dem Ionen gespeichert werden. Graphit (C) als Anodenmaterial stellt ein niedriges Elektrodenpotential dar und dehnt sich beim Laden nur geringfügig aus. Lithium-Titanit-Oxid (LTO) ermöglicht eine höhere Entladerate und Leistung bei anderen Betriebstemperaturen als Graphit. Diese Elektroden sind aufgrund ihres hohen Potenzials und ihrer Toleranz gegenüber Überladungen sicher. Dadurch haben sie eine lange Lebensdauer. Der Nachteil ist jedoch die geringere Energiedichte und die hohen Kosten im Vergleich zur Graphitanode. Lithiummetall (Li) ist ein weiteres mögliches Anodenmaterial, das eine sehr hohe Energiedichte aufweist, aber auch sehr teuer ist. Außerdem führt es zu einer schnelleren Degradation.

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