Lithium-Ionen-Batterien sind anderen Batterietechnologien in vielerlei Hinsicht überlegen. Doch was ist das Geheimnis hinter dieser Technologie und wann macht der Einsatz von Lithium-Ionen Sinn? GS YUASA gibt einen Einblick.
Auf die Nachfrage nach einer leichten, wiederaufladbaren Zelle für den rasch wachsenden Markt der tragbaren elektronischen Geräte reagierte man in den 1990er-Jahren mit der Einführung der Lithium-Ionen-Batterie. Zunächst kam die Technologie nur in Kameras und Mobiltelefonen zum Einsatz, nach und nach entwickelte sie sich jedoch zur bevorzugten Energiequelle für alle denkbaren Einsatzgebiete – von schnurlosen Elektrowerkzeugen bis hin zu großen Energiespeichern und Automobil-Anwendungen.
Die hohe Energiedichte und die große Zahl der Entladezyklen sind entscheidende Vorteile, die dafür sorgen, dass Lithium-Ionen-Batterien aus Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen nicht mehr wegzudenken sind. Allerdings sind sie den traditionellen Batterietechniken in weiterer Hinsicht überlegen. Lithium-Ionen-Zellen lassen sich auch mit höherer Leistung entladen und anschließend in kürzerer Zeit wieder aufladen. Das macht sie für Anwendungen interessant, in denen die Ladeleistung oder Ladezeit unter Umständen begrenzt ist, wie etwa in Photovoltaik-Systemen oder Autos mit Start-Stopp-Automatik. Werden die Zellen hier dauerhaft in nur teilgeladenem Zustand betrieben, hat dies keine negativen Auswirkungen auf die Batterien. Aufgrund dieser Eigenschaft bieten sie eine größere Flexibilität im Betrieb als Blei-Säure-Batterien.
Auch die Wechselwirkungen zwischen Lithium-Ionen-Zellen und ihrer Umgebung sind sehr unkritisch. Während des Ladens geben die Zellen keine Gase ab und die Wärmeabgabe, die durch Ineffizienzen beim Laden entsteht, ist sehr gering. Dies ermöglicht es, Lithium-Ionen-Zellen in geschlossenen Gehäusen komplett isoliert von ihrer Umgebung zu betreiben. Auch wenn die Zellen am Ende ihrer Nutzungszeit dem Recycling zugeführt werden sollten, enthalten sie keine toxischen Stoffe wie etwa Cadmium, Quecksilber oder Blei.
Funktionsprinzip von Li-Ionen-Batterien
Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Zellen beruht auf den gleichen Prinzipien wie bei jeder anderen wiederaufladbaren Batterie. Während des Entladens fließt elektrische Ladung über einen externen Stromkreis von einer Elektrode der Batterie zur anderen. Zum Ausgleich des Ladungstransfers innerhalb der Zelle wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen internen Elektrolyten von der positiven zur negativen Elektrode. Beim Laden wiederum läuft dieser Vorgang umgekehrt ab: Die Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück.
Zur Herstellung der Elektrodenmaterialien eignen sich verschiedene Arten von Chemikalien, die Lithium-Ionen beinhalten. In diesem Bereich wird intensive aktive Forschung und Entwicklung betrieben, was die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien für immer mehr Anwendungen fördert. Für die Herstellung von Zellen lassen sich verschiedene Chemikalien kombinieren, jede Materialpaarung ergibt eine Zelle mit anderen elektrischen Eigenschaften.
Beispiel für die Kombination verschiedener Chemikalien in Li-Ionen-Zellen
Deshalb ist es wichtig, für eine bestimmte Anwendung die richtige Zelle auszuwählen und ausschließlich Zellen mit gleicher Chemie zu verwenden – sowohl bei der erstmaligen Implementierung als auch beim Austausch der Zellen.
Zum Beispiel kombinieren Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) eine aus Kohlenstoff bestehende negative Elektrode mit einer positiven Elektrode aus Eisenphosphat, was eine Zelle mit einer Betriebsspannung von 3,2 V ergibt. Durch die Serienschaltung von vier dieser Zellen lässt sich z. B. eine 12-V-Autobatterie herstellen, die kompatibel mit den meisten Fahrzeug-Bordnetzen ist. Dies wäre mit einer Lithium-Cobaltoxid-Zelle (LCO), deren Betriebsspannung 3,7 V beträgt, nicht möglich.
Die Zellenstruktur von Zellen mit größerer Kapazität sieht eine prismatische Konstruktion mit robuster Metallwand vor. So entsteht eine optimale Kombination aus Packungsdichte, Wärmemanagement und Schutz, wie sie für Anwendungen im Industrie- und Automobilbereich erforderlich ist.
Batteriemanagement-Systeme
Für den sicheren Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien mit mehreren Zellen tragen Batteriemanagement-Systeme (BMS) einen wesentlichen Anteil bei. Die Hauptfunktion des BMS besteht darin, sämtliche Zellen einer Batterie in den gleichen Ladezustand zu versetzen und diesen Zustand während der gesamten Nutzungsdauer der Batterie zu halten. Dies erreicht das BMS durch die Überwachung der Spannung jeder einzelnen Zelle einer Batterie. Zellen mit höherer Spannung werden entladen, bis sie mit den übrigen übereinstimmen.
Der große Umfang an Informationen, die das BMS sammelt, erlaubt eine präzise Überwachung des Batteriezustands und sorgt für mehr Sicherheit, verglichen mit traditioneller Batterietechnik. Darüber hinaus senkt die steigende Intelligenz die Instandhaltungskosten und verlängert die Nutzungsdauer der Batterie.
Transport und Standardisierung
Für den Transport von Lithium-Ionen-Batterien gelten bestimmte Regeln, da ihr hoher Energiegehalt mit standardisierten Verpackungsprozessen kontrolliert werden muss. Bei Lithium-Ionen-Batterien handelt es sich um Gefahrgut der Klasse 9, deshalb müssen sämtliche Verpackungen mit der Identifikationsnummer UN3480 beschriftet sein. Kommerzielle Zellen haben die im UN Manual of Tests and Criteria, Part III, Subsection 38.3 definierten Sicherheitsprüfungen zu bestehen.
Um der steigenden Zahl an Anwendungsgebieten für die Lithium-Ionen-Technik Rechnung zu tragen, schreitet die Standardisierung der Batterien zügig voran. Für industrielle Anwendungen gilt die IEC als Hauptnorm unter den international anerkannten Normen. Die Anforderungen hinsichtlich Leistungsfähigkeit von Zellen und Batterien sind in der Norm IEC62620 (2014) festgehalten. Die Sicherheitsanforderungen finden sich in den Normen IEC62133-2 (2017) für den Einsatz in tragbaren Geräten sowie IEC62619 (2017) für industrielle Systeme.
Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien
Für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien sprechen also einige entscheidende Vorteile: Sie verfügen über eine hohe Entladerate bei gleichbleibender Kapazität sowie über kurze Ladezeiten.
Entladerate einer Lithium-Ionen-Batterie im Vergleich zu einer Blei-Säure-Batterie.
Während sich die Lithium-Ionen-Batterie innerhalb einer Stunde wieder auflädt, benötigt eine Blei-Säure-Batterie über 9 Stunden. Li-Ionen-Batterien haben vergleichsweise einen geringen Platzbedarf und ein niedriges Gewicht sowie eine lange Lebensdauer bei großem Energiedurchsatz. So verfügt eine Li-Ionen-Batterie über 50 Ah Kapazität und 25.000 Ah Durchsatz, eine Blei-Säure-Batterie hingegen über 100 Ah Kapazität und 5.000 Ah Durchsatz. Auch die Energieeffizienz ist bei der Li-Ionen-Batterie mit 4 % thermischem Verlust bei 96 % Energieabgabe hoch, während eine Blei-Säure-Batterie 15 % thermischen Verlust bei 85 % Energieabgabe aufweist. Selbst im teilgeladenen Zustand besitzt die Li-Ionen-Batterie noch hervorragende Eigenschaften.
Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie im teilgeladenen Zustand.
Zudem bietet sie eine sichere Stromversorgung, zumal Batteriemanagement-Systeme die Fehlererkennung und die Weiterleitung von Informationen übernehmen. Ihr Ladetemperaturbereich ist groß und es besteht keine Spannungskompensation.
Ladetemperaturbereich einer Li-Ionen-Batterie im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie (ohne Spannungskompensation)
Betrachtet man das Wärmemanagement, ist dieses bei einer Lithium-Ionen-Batterie kostengünstiger als bei einer Blei-Säure-Batterie, da hier die Luftzirkulation ausreicht, während letztere eine Klimatisierung erfordert. Außerdem weisen Li-Ionen-Batterien keine Gasemission auf und eignen sich damit für abgedichtete Behälter, während bei Blei-Säure-Batterien eine Wasserstoff-Ventilation nötig ist. Schließlich sind Li-Ionen-Batterien ungiftig und es bestehen hierfür keine Recycling-Vorgaben.
Li-Ionen-Technologie von GS YUASA
In der Batterieentwicklung ist GS YUASA weltweit führend und hat Technologien für Batterien für spezielle Einsatzzwecke entwickelt sowie die Massenfertigung von Lithium-Ionen-Kfz-Batterien frühzeitig erfolgreich bewältigt. In vielen Hybrid- und Elektrofahrzeugen kommen die Technologien zum Einsatz. Die fortschrittlichen Lithium-Ionen-Batterien des Herstellers haben ein breites Anwendungsfeld – von der Tiefsee bis hin zu 36.000 Kilometer Höhe für Raumfahrt-Anwendungen. In über 110 verschiedenen Satelliten und Raumfahrzeugen finden die Zellen Verwendung – das sind mehr Watt-Stunden aus Lithium-Ionen-Strom in Weltraumanwendungen als jeder andere Batteriehersteller liefert. Diese rauen isolierten Umgebungen und extremen Bedingungen verlangen nach höchster Zuverlässigkeit, wofür die GS YUASA-Batterien ausgelegt sind.
Für alle erneuerbaren Energien sowie Reserve-Stromversorgungen weltweit bietet der Batteriehersteller zudem ein breites Spektrum anpassungsfähiger Energiespeicherlösungen. LIM-High-Power-Module, LIM-High-Energy-Module und Energiespeicher-Schränke von GS YUASA zeichnen sich durch hohe Qualität, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit aus, sodass keine Zellausfälle auftreten.
An der Entwicklung neuer Produkte und Lösungen für Ersatzstromversorgungen und Energiespeicher-Applikationen arbeitet GS YUASA kontinuierlich weiter. Darunter befinden sich ein Dual-Chemical-Batteriesystem, das sowohl Lithium-Ionen- als auch ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien nutzt, sowie Containerlösungen für Lithium-Ionen-Batterien.
Autor: Raphael Eckert, Group Sales Manager GS YUASA Battery Germany GmbH
