Lithium-Ionen-Akkumulator

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.

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.

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.

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

NMC-Akku: Prinzipieller Aufbau einer POUCH-Zelle (ohne BMS)

Lihium-Polymer-Akkumulator, 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 Li_aNi_xMn_yCo_zO₂. Die wichtigsten Vertreter haben eine Zusammensetzung mit x + y + z = 1, sie zählen heute zu den wichtigsten Speichermaterialien für Lithiumionen.

NMC-Varianten

Variante	Verhältnisformel	Einschätzung
NMC111 oder NMC333		längst überholt
NMC532		gilt als überholt
NMC622		aktueller Stand der Technik
NMC811		kommendes Elektrodenmaterial

Laden und Entladen

Lithium-Ionen-Akkumulator Laden

Lithium-Ionen-Akkumulator Entladen

Das Laden der Zellen darf bis etwa 4,2V erfolgen, bei höheren Spannungen setzt eine Zerstörung der Zellen durch Elektrolyse ein. Entladen darf man bis etwa 3V (andere Quellen geben 2,5 V an), ansonsten können die Zellen ebenfalls Schaden nehmen.

Pluspol (positive Elektrode)

(1)

Minuspol (negative Elektrode)

(2)

Potentiale

Potentiale NMC-Zellen

Das Normalpotential des Redoxpaares Li/Li⁺ beträgt unter Standardbedingungen -3,04 Volt. Durch das Elektrodenmaterial werden die Einzelpotentiale verschoben, so dass sich für die Spannung (Potentialdifferenz) ein abweichender Wert ergibt und für die gängigen NMC-Akkus bei etwa 3,7 Volt liegt.

(3)

Wirkungsgrad

Der Innenwiderstand der Zellen liegt im Milliohm-Bereich, die Verlust sind relativ gering, so dass sich ein Wirkungsgrad von 90-95 % ergibt. Für kleine Lade- und Entladeströme lässt sich dieser Wert auf etwa 98 % steigern.