Das Funktionsprinzip des
Lithium-Ionen Batterie
Lithium-Ionen-Batterien gehören zu der Gruppe von Batterien, die elektrische Energie durch die Umwandlung von chemischer Energie über Redox-Reaktionen an den aktiven Materialien, d.h. der negativen (Anode) und einer positiven Elektrode (Kathode), in einer oder mehreren elektrisch verbundenen elektrochemischen Zellen erzeugen. Lithium-Ionen-Batterien können weiter in primäre (nicht wiederaufladbare) und sekundäre (wiederaufladbare) Batterien unterteilt werden, je nachdem, ob sie durch Anlegen eines elektrischen Stroms wiederaufladbar sind oder nicht. In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden die Li-Ionen zwischen der positiven Elektrode (in der Regel ein geschichtetes Übergangsmetalloxid-Material) und einer negativen Elektrode auf Graphitbasis nach dem Prinzip des „Schaukelstuhls“ hin- und hergeschoben (siehe Video). Der Begriff Entladung wird für den Prozess verwendet, bei dem die Batterie elektrische Energie an eine externe Last abgibt. Der Elektrolyt in diesem System enthält zusätzliche Li-Ionen, um einen schnellen Transport der ionischen Ladung innerhalb der Zelle zu gewährleisten.
Neben der Ionenleitung erfüllt der Elektrolyt weitere wichtige Aufgaben
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Unterstützung der Bildung von effektiven Interphasen, die:
- die Funktion der Batterie zu ermöglichen
- sind gut Li-Ionen-leitend (Rate!)
- sind ein Schutz gegen weitere Zersetzung des Elektrolyten
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Trägt zur Sicherheit der Zellen bei, da es inert gegenüber anderen Materialien ist, wie z. B.:
- Abscheider
- Stromabnehmer
- Leitfähige Additive, Bindemittel
- Gehäuse der Zelle
Schritt 1 – Ausgangszustand (Ladezustand (SOC) 0%)
Beim Entladen befinden sich die Li-Ionen im Material der positiven Elektrode. Die positive Elektrode ist also die Quelle der Li -Ionen, die für die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie notwendig sind. Damit die Li -Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode wandern können, wird auch der Elektrolyt mit Li -Ionen angereichert.
Schritt 2 – Gründung von SEI und CEI
Gleich zu Beginn des ersten Ladevorgangs wandern die Elektronen vom positiven Elektrodenmaterial (Oxidation) über einen externen Leiter in das negative Elektrodenmaterial (Reduktion). Um die Ladungsneutralität zu gewährleisten, de-interkalieren Li-Ionen aus dem positiven Elektrodenmaterial in den Elektrolyten und wandern durch den Elektrolyten zum negativen Elektrodenmaterial, um anschließend gespeichert zu werden. Infolge dieser Reaktionen bilden sich an den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und negativer Elektrodenoberfläche bzw. Elektrolyt und positiver Elektrodenoberfläche Grenzphasen, die sogenannten SEI und CEI . Diese Zwischenphasen bestehen aus unlöslichen elektrochemisch induzierten Zersetzungsprodukten von Elektrolytkomponenten und Li-Ionen, die von der positiven Elektrode stammen, und ermöglichen einen reversiblen Zyklus der Batterie. Nach der Bildung der SEI und CEI deinterkalieren weitere Li-Ionen aus dem positiven Elektrodenmaterial in den Elektrolyten und wandern durch diesen hindurch zum negativen Elektrodenmaterial, um anschließend in letzteres eingebaut zu werden.
Schritt 3 – Reaktionen der Elektroden
Nach der Bildung der SEI und CEI de-interkalieren weitere Li+-Ionen aus dem positiven Elektrodenmaterial in den Elektrolyten und wandern durch ihn hindurch zum negativen Elektrodenmaterial, um anschließend in dieses eingebaut zu werden.
Positive Elektrode: LiMO → Li MO + x-e + x-Li
Negative Elektrode: C + x-e + x-Li → Li C
Gesamtreaktion der Zelle: C + LiMO → Li C + Li MO
Schritt 4 – Farbänderung während der Interkalation / De-Interkalation in Graphit
Je nach Anzahl der in der negativen Elektrode eingebetteten Li – Ionen (abhängig vom Ladezustand, SOC), ändert sich die Farbe von Schwarz über Rot (früher SOC) bis hin zu Gold (100% SOC).
Schritt 5 – Entlassung
Während der Entladung finden die umgekehrten Reaktionen statt. Die Elektrodenreaktionen sind:
Positive Elektrode = „Kathode“ (Reduktion)
Li MO + x-e + x-Li → LiMO
Negative Elektrode = „Anode“ (Oxidation)
Li C → C + x-e + x-Li
Schritt 6 – Das Prinzip des Schaukelstuhls
Nach der Entladung (SOC 0%) werden die Li-Ionen wieder in dem positiven Elektrodenmaterial gespeichert, aus dem sie ursprünglich stammen. Die Hin- und Herbewegung der Li-Ionen erinnert an die Bewegung eines Schaukelstuhls, weshalb dieses Prinzip auch „Schaukelstuhlprinzip“ genannt wurde.
Insbesondere der erste Zyklus (Laden und Entladen) ist mit einem irreversiblen Verlust von Li-Ionen in der SEI und CEI, aber auch im Material der negativen Elektrode verbunden. Infolgedessen können im folgenden Ladezyklus weniger Li-Ionen in der negativen Elektrode gespeichert werden, was zu einer verringerten Kapazität der Batterie führt.
In einer Lithium-Ionen-Batterie finden verschiedene Alterungsprozesse statt, die die Leistung der Batterie im Laufe der Nutzungsdauer verringern und stark von der Zellchemie und dem Verwendungszweck der Batterie abhängen. Insbesondere die richtige Wahl des Elektrolyten hat einen enormen Einfluss auf diese Alterungsmechanismen und unterstreicht einmal mehr die Bedeutung von maßgeschneiderten Elektrolyten.
Um Lithium-Ionen-Batterien im Hinblick auf die spezifische Energie und Energiedichte, die Lebensdauer und die Sicherheit zu optimieren, wurden viele Anstrengungen unternommen, um die Anwendungsmöglichkeiten von LIBs weiter auszubauen. Vor allem die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien mit hoher spezifischer Energie und Energiedichte, insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, erhöht die Forschungsanstrengungen auf der ganzen Welt. Die Energiedichte und die spezifische Energie von Batterien sind per Definition die Menge an Energie, die in einem gegebenen System pro Volumeneinheit bzw. pro Masseneinheit gespeichert ist. Das Produkt aus der spezifischen Kapazität und der mittleren Entladespannung ergibt die spezifische Energie. Diese Beziehung wird in Gleichung 1 ausgedrückt:
E = C – U (1)
Nach Gleichung 1 erscheint es vernünftig, dass sich der Großteil der aktuellen Forschung auf neue positive Elektrodenmaterialien mit höheren Betriebsspannungen (Hochspannungsansatz) und/oder erhöhter spezifischer Kapazität (Hochkapazitätsansatz) konzentriert. Die Hochspannungskathodenmaterialien sind durch das enge elektrochemische Stabilitätsfenster moderner karbonatbasierter Elektrolyte (≈1,0 – 4,4 V vs. Li/Li ) stark eingeschränkt und verstärken die Entwicklung intrinsisch stabiler Elektrolyte oder geeigneter Elektrolytadditive, um Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen.