LithiumLithium--BatterienBatterien

Kevin NeyNiklas HerdeL M i likLena Musiolik

I h lt i h iI h lt i h iInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis Funktionsweise einer Batterie Funktionsweise einer Batterie◦ Das Galvanische Element

◦ Entwicklung

Besonderheiten der Lithium-Ionen-Batterie◦ Lithium als Element

◦ Primäre Lithium-Batterie

◦ Wiederaufladbare Lithium-Batterie

Typen und Anwendungsbereiche Typen und Anwendungsbereiche

Quellen

Das Galvanische ElementDas Galvanische ElementDas Galvanische ElementDas Galvanische Element Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von g p g

chemischer in elektrische Energie

Man unterscheidet 3.Klassen:

Primäre Zelle Sekundäre Zelle Tertiäre Zelle

•Umgangssprachliche: Batterie

•Irreversible

•Umganssprachlich: „Akku“(mulator)

•Reversibel

•Brennstoffzelle

•Energieträger wird extern zugeführt•Irreversible

Entladung•Reversibel, allerdings limitierte

extern zugeführt

FunktionsweiseFunktionsweiseFunktionsweiseFunktionsweise

Entwicklung der galvanische Entwicklung der galvanische t c u g de ga a sc et c u g de ga a sc eElemente: Elemente:

1799

•Voltasche-Säulen (verschiedene Ausführungen meistens jedoch Zinn und Kupfer)•Primäre Zelle

•Erster Blei-Akkumulator (Blei/Bleidioxid Elektrolyt: d S h f l ä )

1854verd. Schwefelsäure) •Sekundäre Zelle

Ca 1938

•Erste Lithium-Batterie (Lithium-Schwefeldioxid-Batterie)•Primäre ZelleCa.1938 •Primäre Zelle

LithiLithiLithiumLithium

Alkalimetall

Leichtester kirstalliner FeststoffM= 6,941 g/molρ=0,535g/cm³

Niedrige Ionisierungsenergie

Hohes ReduktionspotentialHohes Reduktionspotential

Kleinstes Standardelektrodenpotential

E0 = -3,05 V

PrimärePrimäre--LithiumLithium--IonenIonen--BatterienBatterien Metallisches Lithium als AnodeLi Li+ + e−

PrimärePrimäre LithiumLithium IonenIonen BatterienBatterien

Li Li + e

Mangandioxid als KathodegMnIVO2 + Li+ + e- LiMnIIIO2

Li + MnO2 LiMnO2

Nicht wässriger Elektrolyt zum Transport der Lithium-IonenAprotische organische/anorganische LösungenAprotische organische/anorganische LösungenFestionenleiter

Solid Solid ElectrolyteElectrolyte Interphase (SEI)Interphase (SEI)Solid Solid ElectrolyteElectrolyte Interphase (SEI)Interphase (SEI)

Elektronisch isolierende Deckschicht ( Film“)Elektronisch isolierende Deckschicht („Film ).Gute Li+-Kationen-Leitfähigkeit des Films ermöglicht eine

Lithiumabscheidung aus geeigneten organischen Elektrolyten.Bildung von nadelförmigem, sogenanntem „dendritischen” Lithium.

LithiumLithium--IonenIonen--BatterienBatterien

Li-Speichermaterialien als Kathode

LithiumLithium IonenIonen BatterienBatterien

p LiCoO2 Graphit mit eingelagertem Lithium als Anode LiCn

Redoxstabiler Elektrolyt zum Transport der Lithium-Ionen

2 Li0,5CoO2 + LiCn 2 LiCoO2 + Cn

T pen & An end ngen T pen & An end ngen Typen & Anwendungen Typen & Anwendungen

• Li-Metall-Anode und nichtwässrigen Elektrolyt

begann 1960 für Raumfahrt und Militär

• Anwendung in Anwendung in Herzschrittmachern aufgrund geringer Selbstentladung

• Kommerziell verbreiteteste • Kommerziell verbreiteteste Primäre-Lithiumbatterie ist

die Li-MnO2-Zelle (Knopfzelle)

Wiederaufladbare Li Akkus • Wiederaufladbare Li-Akkus im 3-C Markt (Camcorder,

Cellular Phone & Computer)• Forschung im Bereich der

H b id U d Hybrid- Und Elektrofahrezeuge

=)=)

Typ Leerlauf-spannung

Last-spannun

Anwendungspannung spannun

g

LiSOCl 3,7 Volt 3,4 Netzunabhängige Versorgung von 2

, ,Volt

g g g gElektronik im militärischen und

industriellen Bereich

LiMnO2 3,5…3,0Volt

2,9Volt

Vorteil gegenüber Li-batterien mit flüssiger Kathode (LiSOCl2) ist die geringere Passivierung der Anode, g g g ,

wodurch Spannungseinbrüche vermieden werden

Li(CF) 3 2 3 0 3 1 2 5 Leistung wichtiger als Kosten ist Li(CF)n 3,2…3,0 Volt

3,1…2,5Volt

Leistung wichtiger als Kosten ist, beispielsweise im medizinischen Bereich

LiI2 2,8 Volt 2,795Volt

Zur Stromversorgung von Herzschrittmachern

LiFeS2 1,8 Volt 1,5 Volt Anwendung im Fotobereich

Im VergleichIm VergleichIm VergleichIm Vergleich

Primäre Li-Batterie Wiederaufladbare Li Akkus

Hohe Zellspannung Hohe spezifische Energiedichte Weite Temperaturbereiche

Li-Akkus Hochreversibler Li+-

Einlagerungsreaktion Mehr als 1000 Entlade-/lade-Zyklen Weite Temperaturbereiche

-40°C bis +70°C Geringe selbstentladung (>10 Jahre

lagerfähig)i ä h bi 20k h

Mehr als 1000 Entlade /lade Zyklen Entladespannung von 3-4V

(ca. 3 Ni-Cd-Zellen)

Kapazitäten von 5mAh bis 20kAh Geringe Ströme im Mikroampere-

Bereich

GefahrenquellenGefahrenquellenGefahrenquellenGefahrenquellenDas Gefahrenpotential ist um so größer, je höher die Energiedichte

und je reaktiver die Komponenten sind. und je reaktiver die Komponenten sind. Die hochreaktiven Elektroden sind nämlich nur kinetisch, d.h. durch „passivierende” Oberflächenfilme, gegen eine plötzliche

Reaktion mit dem organischen, leicht entflammbaren Elektrolyten g , ygeschützt.

So sollte auf jeden Fall ein Betriebszustand der Lithium-Ionen-Zelle vermieden werden, der ein plötzliches Aufbrechen der Filme

begünstigt, Primäre und wiederaufladbare Lithium-Batterienalso z.B. eine Überladung oder Überentladung.

Zusätzlich sind „safety-devices“ wie Sicherheitsventil und PTC-yKeramik in das Batteriegehäuse eingebaut, welche den

Elektronenfluss außerhalb der Zelle vor dem unkontrollierten Durchgehen unterbrechen.

QuellenQuellen

„Allgemeine und Anorganische Chemie“ / Binnewies; Jäckel; Willne Ra ne Canham/ e schienen bei Spekt m Akademische Willner; RaynerCanham/ erschienen bei Spektrum -Akademischer Verlag / 2004

http://www.chempage.de/theorie/galvanischezelle1.jpg http://www.ak-tremel.chemie.uni-http://www.ak tremel.chemie.uni

mainz.de/ChiuZ/Script%20TU%20Graz%20Lithium-Batterien.pdf http://www.uni-

siegen.de/fb8/ac/hjd/lehre/ws1011/aciii_vortraege/01_12_10.pdf

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit und Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit und schöne Semesterferien!