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Grundsätzlicher Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie

Erstellt am: 05.12.2019 | Stand des Wissens: 13.04.2022
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Eine Batterie besteht grundsätzlich aus einer Zusammensetzung von umhüllten Batteriemodulen mit positiver und negativer Kabelverbindung. Die einzelnen Batteriemodule sind Verbünde von mehreren Batteriezellen, deren Aufbau identisch ist. Die Batteriezellen sind die wichtigsten Komponenten zum Speichern und Abgeben von Energie, vgl. [Kamp14, S. 15]. Die Batteriezelle besteht aus der positiven Elektrode, der Kathode, und der negativen Elektrode, der Anode, die durch eine Isolationsschicht, den Separator, getrennt werden. Durch den Separator wird einerseits die stetige Wanderung der Ionen zwischen Anode und Kathode ab einer kritischen Temperatur der Zelle gestoppt, um das Überhitzen und einem Brand der Zelle vorzubeugen. Andererseits liegt seine Bedeutung in der Permselektivität, die lediglich die Wanderung der Strom-Ionen ermöglicht. Folglich kann der Strom in einem geschlossenen Stromkreislauf ununterbrochen fließen. Die Hauptfunktion des Separators liegt, wie sich bereits aus der Bezeichnung ableiten lässt, in der Separation, also der stofflichen Trennung von Anode und Kathode. Dadurch werden willkürliche Stromflüsse verhindert und es kommt schließlich nicht zu einem Kurzschluss der Zelle. Daher ist für die Unveränderlichkeit der physischen und chemischen Eigenschaften eine Temperaturresistenz des Separators zwingend notwendig.
Eine weitere Komponente ist der Elektrolyt, der an der Anode anliegt. Diese Komponente bildet den Antrieb für den Ionenstromtransport zwischen den polarisierten Elektroden. Auch der Elektrolyt hat Potential für Neuerungen an der Batterie, da er durch die Gewährleistung physischer Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit und hohe Spannungsbelastbarkeit die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie bestimmt. Während der ersten Ladevorgänge bildet sich zudem eine Passivierungsschicht auf der Anodenoberfläche, die Solid Electrolyte Interphase (SEI). Diese ist durchlässig für die Lithium-Ionen, verhindert jedoch eine weitere Korrosion der Anode durch die Elektrolytlösung [VDE15b, S.5]. Abbildung 1 verdeutlicht den Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle.
Aufbau und Funktion einer Lithium-Ionen-ZelleAbbildung 1: Aufbau und Funktion einer Lithium-Ionen-Zelle beim Entladevorgang. Quelle: [VDE15b, S. 3]
Lithium ist mit einer Dichte von 0,534 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3) das leichteste Metall und dadurch ideal für eine leichte Batterie mit hoher Energiedichte, vgl. [KuDi18, S. 165]. Die Anode, aus metalloxider Zusammensetzung von Lithium mit Kobalt, Phosphat oder Nickel, wird durch die Kathode, die mit Graphit beschichtet ist, komplettiert. Der Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht aus einem Lösemittel in Form von Ethylen-Carbonat, Propylen-Carbonat oder Dimethyl-Carbonat, das mit Lithiumsalz ergänzt wird. Im Regelfall sind sowohl Anode als auch Kathode ein Teil der Elektrolyte, um eine Reaktion zwischen Elektrode und Elektrolyt zu initiieren.
Die leitfähigen Elektrodenbeschichtungen, die auch als Aktivmaterial bezeichnet werden, lösen die Energieübertragungen zwischen den Elektroden und über den Elektrolyten aus und vervollständigen somit den Zellenkreislauf, vgl [Hoye15, S. 20]. Bei Lithium-Ionen-Batteriezellen muss der Separator einen Porendurchmesser von 1 Mikrometer bei gleichzeitig gut verteilter Durchlässigkeit besitzen. Die grundsätzlichen Anforderungen an einen Separator, in Kombination mit den spezifischen Vorgaben der Lithium-Ionen-Zelle, ergeben dennoch eine Reihe von Möglichkeiten für die Separator-Struktur. Einerseits sind die in den alkalischen Batterien vorkommenden Separatoren mit einer Polyolefinstruktur verwendbar. Hierbei bestehen bei einer trockenen Herstellung selbstdefinierte Poren, während bei einer nassen Herstellung kreisförmige Poren mit einem Transportumweg vorhanden sind. Andererseits sind auch sogenannte Vliesstoffe, also zu Matten zusammengesetzte Fasern, ein passender Separator für poröse Vorgänge, die einen Transportweg, durch verschiedene Umleitungen, länger als die eigentliche Materialdicke gestalten, vgl. [KuDi18, S. 223 f.]. Die Wahl des Separators beeinflusst die internen Energieflüsse der Batterie enorm. Eine externe Energiebereitstellung erfolgt durch die dauerhafte Wanderung der Lithiumkationen zwischen den Elektroden. Dieser Vorgang wird im englischen Sprachgebrauch auch als rocking chair bezeichnet, da die ständige Wanderung der Ionen bei den Lade-Entlade-Vorgängen einer schwingenden Bewegung eines Schaukelstuhls ähnlich ist, vgl. [KuDi18, S. 166].
Für die Zusammensetzung der einzelnen Zellen kann im Lithium-Ionen-Akkumulator eine Block- oder Modulbauweise angewandt werden. Die Blockbauweise stapelt alle Zellen abwechselnd aufeinander zu einem Block und ist hauptsächlich bei kleinen Batteriesystemen mit wenigen Zellen lohnend. Durch diese Bauart, die auch in der Errichtung von Häusern oft genutzt wird, verfügt die Batterie eine Robustheit und ermöglicht eine Einsparung an Volumen. Sie kann in kurzer Zeit hohe Spannungen liefern. Dieser Aspekt betont die Eignung der Lithium-Ionen-Batterie für Hybridfahrzeuge. Bei der Modulbauweise werden die einzelnen Zellen in eine vordefinierte Reihe geschaltet. Je nach Leistungsanforderung an die Batterie, können sowohl die Ausrichtung als auch die Anzahl der Zellreihen die Kapazität und spannungsliefernde Wirkung beeinflussen. Die Zellreihen werden in ein Gehäuse platziert und mit Sicherheitstechnologien zu einer funktionstüchtigen Batterie ergänzt, vgl. [Hoye15, S. 27].
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[Hoye15] Hoyer, Claas Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland, 2015
[Kamp14] Kampker, Achim Elektromobilproduktion, 2014
[KuDi18] Kurzweil, Peter, Dietlmeier, Otto K. Elektrochemische Speicher - Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche Rahmenbedingungen, 2018
[VDE15b] Rahimzei, Ehsan , Sann, Kerstin , Vogel, Moritz Kompendium: Li-Ionen-Batterien - Grundlagen, Bewertungskriterien,
Gesetze und Normen, 2015/07

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?506095

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 12:12:36