In diesem Beitrag erklären wir, wie eine Lithium-Ionen-Zelle aufgebaut ist und welche chemischen Prozesse sich beim Laden und Entladen abspielen.
Im Fall unserer Produkte ist eine Lithium-Ionen-Zelle, eine wiederaufladbare elektrochemische Speicherzelle verbaut. Ihre Besonderheit besteht darin, dass sich Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden frei bewegen können und dadurch elektrische Energie aufgenommen und abgegeben werden kann.
Dieser Prozess kann mehrere hundert bis tausend Male wiederholt werden, bevor die Alterung der Zelle spürbar wird.
Das sogenannten Corepack, der eigentliche Energiespeicher einer Batterie, besteht aus mehreren dieser Lithium-Ionen Zellen. Bei unseren Produkten sind das bis zu 65 Stück.
Die meisten modernen Batterien verwenden sogenannte NMC-Rundzellen.
NMC steht dabei für:
NMC-Zellen haben sich etabliert, weil sie eine ausgewogene Kombination aus hoher Energiedichte, langer Lebensdauer und guter Sicherheit bieten.
Rundzellen haben einen vergleichsweisen einfachen Aufbau:
Der Zellwickel selbst besteht im Wesentlichen aus drei dünnen, aufeinanderliegenden Schichten. Eine mit Graphit beschichtete Kupferfolie bildet den Minuspol, auch Anode genannt. Eine mikroporöse Kunststofffolie (Polypropylen oder Polyethylen) trennt als Separator Plus- und Minuspol und ist dabei breiter als die beiden Pol-Schichten um Kurzschlüsse zu verhindern. Der Pluspol, eine mit Lithium-Metalloxiden (NMC bzw. LFP) beschichtete Aluminiumfolie dient dabei als Kathode.
Die Kathode ist die Quelle der Lithium-Ionen. Beim Laden verlassen die Lithium-Ionen die Kathode und wandern durch den Separator zur Anode. Beim Entladen kehren sie wieder zurück.
Die Gegenseite der Kathode ist die Anode, sie besteht meist aus Graphit, einer besonderen Form von Kohlenstoff.
Graphit besitzt eine schichtartige Struktur. Während des Ladevorgangs können sich Lithium-Ionen zwischen diesen Schichten einlagern. Dieser Vorgang wird als Interkalation bezeichnet.
Die Anode und das darin enthaltene Graphit dienen somit als Speicherort für die Lithium-Ionen während des geladenen Zustands.
Bildlich lässt sich das Graphit wie ein Parkhaus fürs PKWs vorstellen, eine dreidimensionales Gebilde mit Parkplätzen für Li-Ionen. Sind alle Parkplätze besetzt ist die Batterie vollgeladen, sind alle Parkplätze frei, lässt sich keine elektrische Energie mehr aus der Batterie entnehmen.
Zwischen Anode und Kathode befindet sich der Separator. Diese dünne Kunststoffmembran hat mehrere entscheidende Aufgaben:
Damit die Lithium Ionen sich zwischen Anode und Kathode bewegen können, verbindet eine spezielle Flüssigkeit, das Elektrolyt, die Schichten. Diese Flüssigkeit ist elektrisch leitfähig und kann Lithium-Ionen beim Laden und Entladen transportieren.
Wird die Batterie an das Ladegerät angeschlossen, wird elektrische Energie von außen zugeführt.
Dabei laufen mehrere Prozesse gleichzeitig ab:
1. Lithium-Ionen verlassen die Kathode.
2. Die Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten.
3. Sie lagern sich in der Graphitstruktur der Anode ein.
4. Die zugehörigen Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Anode.
Die elektrische Energie wird dadurch in chemische Energie umgewandelt und in dieser Form gespeichert.
Man kann sich diesen Vorgang wie das Füllen eines Speichers vorstellen: Je mehr Lithium-Ionen in der Anode eingelagert werden, desto höher ist der Ladezustand der Zelle.
Während dem Gebrauch entlädt sich die Batterie, der Prozess läuft also in umgekehrter Richtung ab.
Die Lithium-Ionen verlassen die Anode und wandern durch den Elektrolyt zurück zur Kathode.
Gleichzeitig fließen Elektronen über den äußeren Stromkreis durch die Leitungen zum Verbraucher.
Dieser Elektronenfluss ist der elektrische Strom, der letztendlich das Gerät versorgt.
Der Kapazitätsverlust ist ein natürlicher Alterungsprozess und lässt sich bei Lithium-Ionen Batterien nicht vollständig verhindern. Die wichtigsten Ursachen liegen in den chemischen Veränderungen innerhalb der Zellen.
Die SEI-Schicht
Bereits beim ersten Ladevorgang bildet sich auf der Oberfläche der Anode eine Schutzschicht.
Diese sogenannte SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) entsteht durch Reaktionen zwischen Elektrolyt und Anodenoberfläche. Die Schicht ist grundsätzlich erwünscht, weil sie die Anode schützt und zur Stabilität der Zelle beiträgt.
Dabei werden auch freie LI-Ionen fest in das metallische Gefüge eingelagert und stehen somit nicht mehr zur Verfügung.
Die CEI-Schicht
Auch auf der Oberfläche der Kathode bildet sich eine Grenzschicht aus, die sog. CEI-Schicht (Cathode Electrolyte Interphase).
Im Laufe der Zeit wachsen beide Schichten weiter.
Für ihre Bildung werden Lithium-Ionen verbraucht, die anschließend nicht mehr für die Energiespeicherung zur Verfügung stehen. Dadurch sinkt die nutzbare Kapazität der Zelle.
Alterung der Elektroden
Mit zunehmender Anzahl an Ladezyklen können leichte Veränderungen am Material entstehen, wodurch sich die Beweglichkeit der Lithium-Ionen innerhalb der Zelle verschlechtert.
Der sogenannte Innenwiderstand steigt an, während Kapazität und Leistungsfähigkeit langsam sinken.
Die Alterung einer Lithium-Ionen-Zelle hängt nicht nur von den Ladezyklen ab, sondern auch von den Betriebsbedingungen.
Besonders belastend sind:
Die Lithium-Ionen-Technologie ermöglicht heute leistungsstarke und langlebige Batterien. Die Energie wird durch die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode gespeichert und wieder freigesetzt.
Obwohl jede Zelle im Laufe ihres Lebens altert, können moderne NMC-Zellen mehrere hundert bis weit über tausend Ladezyklen erreichen. Durch eine sachgerechte Nutzung, moderate Temperaturen und eine geeignete Lagerung lässt sich die Lebensdauer zusätzlich verlängern.