Lithium-Ionen-Akkumulator

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Lithium, Normalpotential -3,04 V

In Lithium-Ionen-Akkumulatoren basieren alle elektrochemischen Vorgänge auf der Basis von Lithium-Verbindungen. Die meisten der heute auf den Markt gebrachten lithiumbasierten Akkumulatoren enthalten Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NMC-Akkumulatoren). Die Zelle kann einen flüssigen Elektrolyten enthalten oder als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein. Die resultierende Zellspannung hängt vom Kathodenmaterial ab.[1]

Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugröße ist meist eine Batteriemanagement-Elektronik (BMS, mindestens Über- und Entladungsschutz) integriert. Ohne ein BMS sind die Akkus praktisch unbrauchbar.

Die häufigste Variante aufgrund des Elektrodenmaterials sind die auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basierenden NMC-Akkumulatoren, weitere Varianten existieren aufgrund verschiedener Elektrolyte: die Zelle kann einen flüssigen Elektrolyten enthalten oder als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein. Bei letzteren sind die sogenannten „Pouch“-Bauformen besonders weit verbreitet.[2]

Aufbau

NMC-Akku Minuspol: Paste mit 90% Graphit auf Kupferfolie
NMC-Akku Pluspol: Paste mit 90% NMC auf Aluminiumfolie
NMC-Akku Separator: mikroporöse Polymer-Membran

Unabhängig vom Zelltyp besteht die kleinste Einheit jeder Lithium-Ionen-Zelle aus zwei Elektroden und dem Separator, der die Elektroden voneinander trennt. Dazwischen befindet sich der ionenleitfähige Elektrolyt.[3]

Lithium-Akkus sind üblicherweise in Schichtform aufgebaut, die Elektrodenmaterialien werden beidseitig auf eine Metall-Folie aufgetragen, zwischen Anoden- und Kathodenfolie kommt noch eine dritte Folie, der Separator. Diesen Folienstapel kann man dann schneiden, wickeln oder falten.

organischer Elektrolyt Anode Cu-Folie 10-20 μm, Anodenpaste 100 μm
Separator PE- oder PP-Membran unter 25 μm
Kathode Al-Folie 5-25 μm, Kathodepaste 40-80 μm

Herstellung[3]

NMC-Akku: Prinzipieller Aufbau einer POUCH-Zelle (ohne BMS)
Li-Polymer-Akku eines Kommunikationssystems, Ausführung als POUCH-Zelle
  1. Anodenrezeptur (Minuspol, Anode beim Entladen)
    • Aktivmaterial: Graphit (90 Gew.-%)
    • Leitruß: nanomikroskopischer Kohlenstoff, z.B. Super P® (5 Gew.-%)
    • Lösungsmittel: Entionisiertes Wasser
    • Binder: CMC (3 Gew.-%)
    • Additiv: SBR (2 Gew.-%)
  2. Kathodenrezeptur (Pluspol, Kathode beim Entladen)
    • Aktivmaterial: Li(NiMnCo)O2 (90 Gew.-%)
    • Leitruß: nanomikroskopischer Kohlenstoff, z.B. Super P® (5 Gew.-%)
    • Lösungsmittel: N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)
    • Binder: PVDF (5 Gew.-%)
  3. Separator
    • Ionendurchlässiger elektrischer Isolator
    • Mikroporöse Polymermembran (PE oder PP), Keramik, Glasfaser, Kombos daraus, PET-Vlies-Keramik
  4. Organischer Elektrolyt
    • Leitsalz: LiPF6 ca. 13 %
    • Nichtwässriges Lösungsmittel: Ethylencarbonat EC, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat DMC, Ethylmethylcarbonat EMC
    • Additiv: Vinylcarbonat VC
  5. Außenhülle (wahlweise)
    • Prismatisches/zylindrisches Metallgehäuse (Stahl oder Aluminium)
    • Pouch-Folie (Aluminium-Kunststoff-Verbundfolie)

Die Herstellung der Akkupacks umfasst die drei Hauptprozesse Elektrodenfertigung, Zell-Assemblierung und Zell-Finishing.

  1. Elektrodenfertigung
    • Mischen
    • Beschichten
    • Kalandern/Slitting
    • Trocknen
  2. Zell-Assemblierung
    • Vereinzeln
    • Stapeln bzw. Wickeln
    • Verpacken
    • Elektrolytbefüllung
  3. Zell-Finishing
    • Formierung
    • Entgasung/Reifung/Test

NMC-Akkumulatoren

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide, abgekürzt als Li-NMC, LNMC, NMC oder NCM bezeichnet, sind Mischoxide des Lithiums, Nickels, Mangans und des Cobalts. Sie haben die allgemeine Formel LiaNixMnyCozO2. Die wichtigsten Vertreter haben eine Zusammensetzung mit x + y + z = 1, sie zählen heute zu den wichtigsten Speichermaterialien für Lithiumionen.[4]

NMC-Varianten
Variante Verhältnisformel Einschätzung
NMC111 oder NMC333 NMC111.png längst überholt
NMC532 NMC532.png gilt als überholt
NMC622 NMC622.png aktueller Stand der Technik
NMC811 NMC811.png kommendes Elektrodenmaterial

Laden und Entladen

Lithium-Ionen-Akkumulator Laden
Lithium-Ionen-Akkumulator Entladen

Potentiale und Wirkungsgrad

Innenwiderstand Milliohm eta 90-95% (98%) Laden bis 4,2V Entladen bis 3V

Pluspol (positive Elektrode)

NMC-Akku Kathodenreaktion.png (1)


Minuspol (negative Elektrode)

NMC-Akku Anodenreaktion.png (2)



Einzelnachweise

  1. ↑ Lithium-Ionen-Akkumulator https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator (abgerufen am 18.05.2024)
  2. ↑ Lithium-Polymer-Akkumulator https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Polymer-Akkumulator (abgerufen am 18.05.2024)
  3. ↑ 3,0 3,1 PRODUKTIONSPROZESS EINER LITHIUM-IONEN-BATTERIEZELLE https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaabcgujq (abgerufen am 20.05.2024)
  4. ↑ Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (abgerufen am 19.05.2024)
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