Li-Ion Elektrofahrzeug Batteriekonzept. Autosymbol mit EV-Batterien auf hölzernem Schreibtisch mit 3D-Rendering.
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02.12.2019 Fachinformation 556 0

Batterien - Frequently Asked Questions (FAQ)

Die Batterie-Experten des VDE beantworten allgemeine Fragen zu Batterien und informieren Sie im Detail zu Lithium-Ionen-Zellen. Erfahren Sie zum Beispiel, wie die Energiespeicher funktionieren, welche Materialien in Batterien verwendet werden, wo diese herkommen, was eine Festkörperbatterie ist und ob Li-Ionen-Zellen einen „Wohlfühlbereich“ haben.

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Patrick Heininger
Julia Migenda

Was sind Akkumulatoren, Zellen und Batterien?

Batterien werden in primäre und sekundäre Batterien unterschieden. Primäre Batterien können nicht wieder aufgeladen werden. Sekundäre Batterien hingegen können mehrfach geladen und entladen werden. Letztere heißen auch Akkumulatoren. Eine Batterie besteht immer aus einer oder mehreren Zellen, die miteinander verschaltet werden.

Woraus bestehen zum Beispiel Fahrzeugbatterien?

Meist bestehen große Batterien aus einzelnen Modulen. Diese Module werden aus mehreren Zellen aufgebaut, die miteinander seriell und parallel verschaltet werden. Sie werden mit einer Steuerungsplatine überwacht und mit Sicherungen versehen. Je nach Bauart der Zelle werden metallische Verbinder durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Drahtbonden oder auch als Schraubverbindung mit den Einzelzellen verbunden.
Im Fahrzeugbereich ist es zudem üblich, dass mehrere Module zu einer Batterie kombiniert werden. Diese kann dann von einer übergeordneten Steuerung überwacht und angesteuert werden.

Was sind Lithium-Ionen-Zellen?

Lithium-Ionen-Zelle

Lithium-Ionen-Zelle beim Entladen

| VDE

Jede Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer negativen und einer positiven Elektrode, einem ionenleitenden Elektrolyten, der den Ladungsaustausch zwischen den Elektroden vermittelt, sowie einem Separator, der die beiden elektrisch voneinander trennt. Für die Bezeichnung der Elektroden hat sich folgende Konvention durchgesetzt: Die Elektrode, an der beim Entladen die chemische Reduktion des aktiven Materials stattfindet, wird als Kathode bezeichnet. An der anderen Elektrode findet entsprechend die chemische Oxidation statt. Entsprechend wird diese als Anode bezeichnet. 

Häufige Fragen und Antworten zu Lithium-Ionen-Zellen

Welche Vorteile bieten Lithium-Ionen-Zellen gegenüber anderen Technologien?

Sie gehen in den Keller oder in die Garage, um Ihren Akkuschrauber zu holen. Und was passiert? Nichts! Denn er ist leer. Diese Situation kommt Ihnen bekannt vor? Dann hat Ihr Akkuschrauber noch keine Lithium-Ionen-Technik im Einsatz. Ein Merkmal, das Lithium-Ionen-Zellen zum Beispiel von Nickel-Metall-Hydrid-Batterien (NiMH) unterscheidet, ist die deutlich geringere Selbstentladung. Damit ist der Verlust von Ladung im inaktiven Zustand gemeint. Auch der Memory-Effekt wie bei Nickel-Cadmium (NiCd) oder der Batterieträgheitseffekt wie bei NiMH existieren bei Lithium-Ionen-Zellen nicht. Das vollständige Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Zellen ist nicht notwendig – ganz im Gegenteil: Es kann sogar die Lebensdauer reduzieren! Mehr dazu unter „Haben Lithium-Ionen-Zellen einen Wohlfühlbereich?“

Welche Parameter einer Lithium-Ionen-Zelle lassen sich durch das Kathodenmaterial bestimmen?

Wie beschrieben ist das Kathodenmaterial eine der Hauptkomponenten einer elektrochemischen Zelle. Daher werden Zellen häufig nach der Art des Kathodenmaterials klassifiziert, wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP). Innerhalb einer Materialklasse unterscheiden sich Kathodenmaterialien wiederum durch Stöchiometrie, Morphologie und Oberflächeneigenschaften und Verarbeitung.

Materialklasse und die Zusammensetzung des Kathodenmaterials beeinflussen die theoretisch mögliche Energiedichte einer Lithium-Ionen-Zelle.

Wie sicher eine Zelle ist, wird oft auf Basis des Kathodenmaterials eingeschätzt. Für die Sicherheit einer Zelle müssen neben den Kathodeneigenschaften jedoch weitere Faktoren berücksichtigt werden, zum Beispiel die Materialkombinationen (Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator etc.), Zellgröße und Wahrscheinlichkeit von zellinternen Fehlern.

Zellhersteller legen die Zyklenfestigkeit von Zellen, also die Anzahl maximal möglicher Lade- und Entladevorgänge, anwendungsspezifisch aus oder passen diese an. Nur mit Zelltests am ausgewählten Zelltyp lassen sich genauere Angaben über die tatsächliche Zyklenfestigkeit in der Anwendung ermitteln. Wichtig dabei: Die Zelltests müssen den praktischen Betrieb der Batterien nachbilden.

Eine alleingültige Aussage zu Sicherheit und Zyklenfestigkeit nur auf Grundlage der Klasse des Kathodenmaterials ist also nicht möglich.  

Welche Anodenmaterialien gibt es?

Die meisten Lithium-Ionen-Zellen haben eine Anode aus Kohlenstoff, häufig in Form von Graphit. Oftmals machen Hersteller zum verwendeten Anodenmaterial keine genauen Angaben. Anodenmaterialien auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und Oberfläche lange Zeit intensiv erforscht. Unter anderem wegen ihrer hohen Herstellungskosten haben sie sich bis jetzt noch nicht durchgesetzt. Mit Silizium als Anodenmaterial ließen sich höhere Energiedichten erreichen als mit Graphit. Problematisch ist jedoch die volumetrische Ausdehnung des Materials beim Laden und Entladen. Daher werden heute Verbundmaterialien aus Kohlenstoff mit einem geringen Siliziumanteil eingesetzt. Auch Lithiummetall lässt sich als Anodenmaterial verwenden. Herausforderungen und Chancen werden in den folgenden Fragen behandelt.

Das zweite kommerziell eingesetzte Anodenmaterial ist Lithium-Titanat-Oxid (LTO). LTO hat zwar den Nachteil, dass aufgrund des hohen Potentials gegenüber Lithium die Batterie nur eine geringe Zellspannung und somit auch eine geringe Energiedichte aufweist. Allerdings sind hohe Leistungsdichten und Ladegeschwindigkeiten sowie Zyklenzahlen möglich.

Eine Übersicht der Anoden- (grün) und Kathodenmaterialien (blau) sowie deren Elektrodenpotential gegenüber Li/Li+ ist im Bild dargestellt.

Die Spannung der Zelle ergibt sich durch die Differenz zwischen dem Elektrodenpotential der Anode und der Kathode. Durch die unterschiedlichen Spannungen haben die Zellen mit der höheren Spannung in der Regel auch eine höhere gravimetrische Energiedichte (in Wattstunden je Kilogramm [Wh/kg]), weil der Energieinhalt [Wh] von der Nominalspannung abhängt: Nominalspannung [V] x Kapazität [Ah] = Energieinhalt [Wh]. 

Was macht eine Li-Metall-Batterie aus?

Lithium-Metall-Batterien verwenden Lithiummetall als Anodenmaterial, das die theoretisch höchste Energiedichte hat. Reines Lithium reagiert beim Ladevorgang mit den flüssigen Elektrolyten und bildet keine stabile Grenzschicht (Solid electrolyte interface, SEI) im Gegensatz zu gängigen Anodenmaterialien. Dieses Problem beim Laden lässt sich am besten über die Nutzung von Festkörperelektrolyten (siehe hierzu Punkt 4 und 5) lösen.

Es gibt einige wenige industrielle Anwendungen sekundärer Lithium-Metall-Batterien. Diese setzen besondere Anforderungen an den Betrieb voraus: zum Beispiel eine Betriebstemperatur, die höher als 60 °C ist. Bei primären – also nicht wieder aufladbaren Batterien – wird Li-Metall heute schon häufig eingesetzt, unter anderem in Knopfzellen.

Was sind Festkörperbatterien und was zeichnet sie aus?

Festkörperbatterien haben statt eines heute üblichen flüssigen Elektrolyten einen festen ionenleitenden Elektrolyten. Es gibt sowohl keramische als auch auf Polymeren basierende Festelektrolyte. Durch die feste Struktur verhindern Festelektrolyte unter anderem, dass sich Dendriten bilden, also baumartige Abscheidungen von Lithium auf der Anode durch Lade- und Entladevorgänge. Das erhöht wiederum die Zyklenstabilität der Zelle. Wird die Schichtdicke des Elektrolyten – und damit der Abstand zwischen Kathode und der Anode – verringert, lässt sich die volumetrische Energiedichte der Zelle enorm erhöhen.
Festelektrolyte sind zudem weniger entzündlich als Flüssigelektrolyte

Wann sind Festkörperbatterien marktreif?

Aktuell werden Festkörperbatterien noch erforscht: Untersuchungen und Optimierungen beschränken sich derzeit auf kleine Zellen, denn bei Zellen mit höheren Kapazitäten ergeben sich neue Herausforderungen. In Serie werden Festkörperbatterien frühestens im Jahr 2025, wahrscheinlicher eher 2030 gehen.

Haben Li-Ionen-Zellen einen Wohlfühlbereich?

Das Betriebsfenster, also die Parameter Spannung, Temperatur und Strom, der Zellen legt der Zellhersteller fest. Es hängt sehr stark von der Materialauslegung der Einzelkomponenten ab. Ein Abweichen von diesem Bereich führt dazu, dass die Zelle irreversibel beschädigt wird.

Um das zu vermeiden, gibt der Hersteller ein kleines Anwendungsfenster vor. So ist sichergestellt, dass der Anwender das Betriebsfenster nicht verlässt. Ein Beispiel: Durch intelligente Steuerungsplatinen innerhalb der Batterie oder der Anwendung wird die Kapazität der Zelle auf etwa 30 und 70 Prozent des Ladezustands (State of charge, SoC) begrenzt, auch wenn der Nutzer weiterhin eine Skala von 0 bis 100 Prozent dargestellt bekommt. Vor allem in Randbereichen des Anwendungsfensters kann es sein, dass sich Funktionen nur noch eingeschränkt ausführen lassen: So ist zum Beispiel die für das Laden benötigte Energieaufnahme bei niedrigeren Temperaturen verlangsamt, wodurch die Ladezeiten steigen.

Welche Zellformate setzen sich künftig durch?

Aktuell sind sowohl prismatische als auch Rundzellen und Pouchzellen in der Industrie im Einsatz:

  • Bei prismatischen Zellen gibt es verschiedene, genormte Formate. So zum Beispiel das Format PHEV2 (91 x 148 x 26,5; Höhe x Länge x Dicke; jeweils in mm), das für hybride Elektrofahrzeuge entwickelt wurde.
  • Im Bereich der Rundzellen hat sich lange Zeit die 18650 Zelle (18 mm Durchmesser und 65,0 mm Höhe) durchgesetzt und wird momentan in vielen Anwendungen durch die 21700 Zelle ersetzt (21 mm Durchmesser und 70,0 mm Höhe). Diese Formate haben eine feste metallische Außenhülle.
  • Bei den Pouchzellen, deren Außenhülle aus einem Polymerbeutel besteht, existieren viele verschiedene, häufig kundenspezifische Formate. Ein Anwendungsbereich für Pouchzellen sind Mobiltelefone.

Im Automobil sind derzeit alle Formate im Einsatz. Ähnliches lässt sich auch für Speicherbatterien beobachten. Jedes Zellformat hat dabei typenspezifische Vor- und Nachteile. Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Lithium-Ionen-Zellen werden auch in Zukunft alle Zellformate zum Einsatz kommen.

Woher kommt das in vielen Zellen eingesetzte Kobalt?

Fast 74 Prozent des heute – in allen Anwendungen – eingesetzten Kobalts kommt aus der Demokratischen Republik Kongo. Dort gibt es auch künftig weltweit die größten Vorkommen. Mehr als zwei Drittel davon stammen im Jahr 2019 aus industriellen Minen, der Rest aus sogenanntem Kleinstbergbau. Experten gehen davon aus, dass nur ein kleiner Anteil der Menge aus dem Kleinstbergbau illegal, also ohne Auflagen, abgebaut wird. Genaue Zahlen hierzu liegen jedoch nicht vor.

Die Aufmerksamkeit der Hersteller für das Thema Kobalt ist in doppelter Hinsicht gestiegen: Durch die starken Preisschwankungen in den vergangenen Jahren und die zum Teil undurchsichtigen Lieferketten reduzieren sie den Anteil an Kobalt in Lithium-Ionen-Zellen immer weiter: Bei den ersten NMC-Zellen lag der Anteil an Kobalt bei 33 Prozent; bei den neueren Zellen sind es nur noch etwa 10 Prozent. Durch den gesellschaftlichen Druck verpflichten sich zunehmend Zellhersteller dazu, Kobalt nur noch zu beziehen, wenn dessen Herkunft bekannt ist.
 

Werden in Li-Ionen-Zellen auch Seltene Erden verwendet?

Nein, in Li-Ionen-Zellen werden keine Seltenen Erden verwendet. Die Bezeichnung Seltene Erden oder Metalle der Seltenen Erden umfasst insgesamt 17 Metalle, die in der Erdkruste in Mineralien vorkommen. Für die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen wird keines dieser Elemente benötigt. Allerdings kommt beispielsweise Neodym als magnetischer Stoff in Elektromotoren zum Einsatz und wird daher häufig in einem Atemzug mit der Elektrifizierung des Verkehrs genannt.

Wird Lithium in der Zukunft knapp werden?

Das meiste Lithium stammte im Jahr 2018 aus Australien. Innerhalb eines Jahres hat das Land die Produktionskapazität um rund 50 Prozent erhöht. Chile und Argentinien könnten ihre Produktionskapazitäten ebenfalls kurzfristig erhöhen. Bis 2025 sind beim Lithium deshalb keine Engpässe zu erwarten. Bis dahin werden sich neue Verfahren, wie die Gewinnung von Lithium aus Abfallprodukten bei der Herstellung von Brom, und deren Wirtschaftlichkeit besser bewerten und gegebenenfalls einsetzen lassen.

Fachexkurs: Wie sicher sind Lithium-Ionen-Zellen?

Für die Sicherheit einer Zelle müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, zum Beispiel die Materialkombinationen (Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator etc.), Zellgröße und Wahrscheinlichkeit von zellinternen Fehlern, die nicht immer vom Battery-Management-System (BMS) erkannt oder verhindert werden können.

Bezogen auf Produkte bzw. Batterien wird es deutlich, wenn man der Definition von Sicherheit folgt, die u.a. in der Produktsicherheit angewandt wird:

  • Sicherheit: Freiheit von unvertretbarem Risiko
  • Risiko: Kombination aus der Eintrittswahrscheinlichkeit eines Schadens und der Schwere des Schades
  • Schaden: Physische Verletzung oder Schädigung der Gesundheit von Menschen oder Schädigung von Gütern oder der Umwelt.
  • siehe auch:
    - DIN EN 61508-4
    - ISO/IEC Guide 51:1999

Bezogen auf Lithium-Ionenzellen bedeutet das:
Fehler der Batterie (z. B. Überladen aller Zellen gleichzeitig) werden bei entsprechender Konstruktion (z. B. gemäß IEC 62619) vom BMS verhindert. Unterschiede bleiben daher bei der Sicherheit der Zellen, speziell bezogen auf zellinterne Fehler wie z. B. interne Kurzschlüsse und deren Folgen.

Alle Eigenschaften, welche die Eintrittswahrscheinlichkeit eines zellinternen Fehlers verringern (u. a. hoher Materialreinheitsgrad, Fertigungsqualität) und/oder die Schwere des Schades bzw. die Auswirkungen eines Fehlers begrenzen (u.a. höhere thermische Stabilität des Separators, geringere Elektrolytmenge) reduzieren somit das Risiko und erhöhen damit die Sicherheit.

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