Lithium-Ionen-Batterien werden als leistungsstarke, leichte und umweltfreundliche Alternative immer beliebter.
Lithium-Ionen-Batterien sind seit den 1990er Jahren im kommerziellen Einsatz. Ursprünglich für den Einsatz in der Unterhaltungselektronik entwickelt, erfreuen sie sich zunehmender Beliebtheit als leistungsstarke, leichte und umweltfreundliche Alternative zu Blei-Säure- und anderen Traktionsbatterien.
Alle Batterien bestehen aus zwei Elektroden (der Anode und der Kathode), einem Separator, der verhindert, dass sich die Elektroden berühren und einen Kurzschluss verursachen, und einem Elektrolyt, der den verbleibenden Raum in der Batterie ausfüllt. In herkömmlichen Blei-Säure-Batterien bestehen die Elektroden beide aus Blei und der Elektrolyt ist eine Mischung aus Wasser und Schwefelsäure. Durch eine chemische Reaktion zwischen dem Blei und der Schwefelsäure entstehen freie Elektronen, die als Strom aus der Batterie fließen.
In Lithium-Ionen-Batterien werden die Elektroden aus Lithiumverbindungen hergestellt: Lithium-Metalloxide für die Kathode und Lithium-Kohlenstoff-Verbindungen für die Anode. Der Elektrolyt ist ein leitfähiges Medium, im Allgemeinen entweder ein Gelpolymer oder eine Flüssigkeit, die ein Lithiumsalz oder ein organisches Lösungsmittel enthält. Bei der Stromerzeugung ermöglicht der Elektrolyt die Bewegung von Lithiumionen von der Anode zur Kathode in einem Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. Dabei entstehen freie Elektronen, die die Batterie an der Anode verlassen, sich als Strom durch den Stromkreis bewegen und zur Kathode zurückkehren. Beim Aufladen geschieht das Gegenteil. Der Separator unterstützt die Interkalation, da er nur Lithium-Ionen durchlässt. Er verhindert, dass Elektronen und Elektrodenpartikel die Batterie durchqueren.
Generell sind Lithium-Ionen-Batterien leichter und lassen sich schneller aufladen als Blei-Säure-Batterien. Da sie eine höhere Energiedichte als herkömmliche Batterien haben, ist es möglich, kleinere Batterien zu bauen, während die gleiche Speicherkapazität erhalten bleibt. Ein entscheidender Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass die chemische Reaktion, die stattfindet, reversibel ist, so dass es keine Degradation der Elektroden im Laufe der Zeit gibt. Die Batterien können daher viel öfter geladen werden als ihre Blei-Säure-Batterie-Pendants. Sie sind auch umweltfreundlicher, da sie keine Stoffe (wie Blei oder Schwefelsäure) mit hoher Umweltbelastung enthalten.
Andererseits ist Lithium eine hochreaktive Substanz, organische Elektrolyte sind sehr flüchtig und die Anode weist häufig eine hohe thermische Instabilität auf. Daher stellen Lithium-Ionen-Batterien ein Brandrisiko dar, wenn sie durchstochen oder unsachgemäß geladen werden. Insbesondere können sie einem gefährlichen Prozess ausgesetzt sein, der als thermisches Durchgehen bekannt ist. Die Gewährleistung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ist ein zentrales Anliegen, wobei die Hersteller viele Methoden zur Verhinderung und Abschwächung des thermischen Durchgehens anwenden.
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