Lithium- Hochleistungsbatterien

von Prof. Dr. Heiner Gores, Dominik Moosbauer

Auf den Straßen hat das Pferd als gängiges Fortbewegungsmittel längst ausgedient und auch der Verbrennungsmotor hat seine beste Zeit wohl überschritten. Ein altes Konzept rückt wieder in den Mittelpunkt, der Elektroantrieb. Als Energiespeicher für diese Technik tritt derzeit immer mehr die Lithium-Ionen-Batterie in den Vordergrund. Prof. Dr. Heiner Gores und Dominik Moosbauer berichten über den Stand der Technik und geben einen Ausblick.

Hybrid-Electric-Vehicles (HEVs) vereinen das Prinzip des Verbrennungsmotors mit dem des Elektroantriebs. Dabei kommen beim Beschleunigen beide Antriebe zum Einsatz, bei Bremsvorgängen wird die gewonnene Energie dem elektrochemischen Energiespeicher zugeführt. Eine Erweiterung stellen die Plug-In-Hybrid-Vehicles (PHEVs) dar. Der Elektroantrieb hat dabei einen zusätzlichen externen Anschluss für das Stromnetz, um so den Verbrennungsmotor stärker zu unterstützen. Völlig ohne Verbrennungsmotor kommen sogenannte Battery- Electric-Vehicles (BEVs) aus. Der Elektroantrieb reicht alleine aus, um ein Automobil mit Energie zu versorgen. Ein gut motorisiertes Elektrofahrzeug braucht eine Batterie mit 42 kWh Energieinhalt für eine Reichweite von 300 km. Neueste Modelle ermöglichen jedoch bisher nur Reichweiten von bis zu 160 km, was aber schon für die meisten Pendler im Berufsverkehr genügen würde.
Als interessantester Energiespeicher für Elektroautos hat sich die Lithium-Ionen-Batterie erwiesen. Sie weist gegenüber Brennstoffzellen und klassischen Batterien eine größere Leistungsdichte auf, Doppelschichtkondensatoren ist sie in der erreichbaren Energiedichte weit überlegen.
Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie beruht auf der reversiblen Ein- und Auslagerung von Lithiumionen an den Elektroden, wodurch es zum Stromfluss kommt. Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle besteht aus folgenden Teilen:

Kathode

Ein Metalloxid, welches beim Entladen der Zelle unter Aufnahme von Elektronen Lithiumionen in seine Kristallstruktur einlagert.
Ausschlaggebend für ein gutes Kathodenmaterial ist ein hohes Redoxpotential für die reversible Lithiuminterkalation bzw. -exkalation. Je größer dieses Potential gegen Lithium ist, umso mehr nimmt die Nennspannung der Batterie zu, die Energiedichte steigt. Erreichbar sind derzeit Nennspannungen von 3.8 V. Als Materialien haben sich hierbei vor allem LiCoO2, LiNiO2, LiTiO2, LiFePO4 und LiMnO2 durchgesetzt, mit denen spezifische Kapazitäten von 110 – 160 mAh g-1 erreicht werden können. Weitere Schwerpunkte sind neben Ladedauer auch Langlebigkeit einer Zelle, bestimmt durch Zyklisierungsmessungen. Ohne nennenswerten Kapazitätsverlust sind bereits Zyklenzahlen von mehr als 500 erreichbar.

Anode

Hochporöse Graphit-Interkalationsverbindungen, die beim Entladen der Zelle unter Abgabe von Elektronen Lithiumionen aus deren Schichtstruktur freigeben: Gute Anodenmaterialien besitzen geringe Potentiale für die Lithiuminsertion nahe 0 V gegen Lithium. Je nach Dotierung (z. B. Si) des Graphits sind Kapazitäten von 370 bis 1.000 mAh g-1 möglich. Neueste Forschungen beschäftigen sich mit Kohlenstoff- Nanoröhren und Kompositen, die eine höhere Langzeitstabilität und Kapazität aufweisen.

Separator

Der Separator liegt zwischen Anode und Kathode. Er verhindert, dass sich durch Lithiumabscheidung auf der Anode ein direkter elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden ausbildet. Die eintretende Temperaturzunahme durch den Kurzschluss hätte die Zerstörung der Zelle zur Folge. Sogenannte Nail-Penetration-Tests, bei denen ein Nagel durch die Batterie getrieben wird, sind harte Standardtests zur Sicherheitsprüfung von Batterien. Vor allem Batterien mit keramischen Kompositmaterialien als Separator zeigen hier keine Probleme.

Elektrolyt

Als Elektrolyte werden Lithiumsalze verwendet, die in Mischungen nicht-wässriger Lösemittel, meist Carbonate, gelöst sind. Als Salze sind vor allem Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumbisoxalatoborat (LiBOB) und seit Kurzem auch Lithiumdifluoroxalatoborat (LiDFOB) zu erwähnen. Gute Elektrolyte weisen eine hohe Dissoziation der Kationen und Anionen des Salzes auf, die Leitfähigkeit steigt somit. Zudem spielt die elektrochemische Stabilität der Elektrolyten eine große Rolle. Je stabiler ein Elektrolyt ist, umso stärker können in den Potentialen weit auseinander liegende Elektrodenmaterialien genutzt werden, die Energiedichte steigt. Ein weiterer Faktor sind die Schutzeigenschaften der Salze. Eine lithiumionenleitende Schicht (solid electrolyte interface, SEI), bestehend aus Zersetzungsprodukten des Elektrolyten, kann die Elektrodenoberfläche schützen. Vor allem die Filmbildung auf der Anode ist sehr wichtig, da sonst zusätzlich Lösungsmittelmoleküle in die Kohlenstoffschicht interkalieren können, diese aufweiten und so zerstören. Neueste Forschungen beschäftigen sich damit, durch passende Additive optimale Schutzschichten auf den Elektroden zu bilden. Dabei sind ionische Flüssigkeiten (ionic liquids) eine Alternative. Diese Salze, die unter 100 °C flüssig sind, weisen sehr hohe Leitfähigkeiten und auch große elektrochemische Stabilitäten auf und tragen zusätzlich zur Doppelschichtkapazität der meist sehr porösen Elektrodenmaterialien bei. Neben organischen Elektrolyten könnten in naher Zukunft auch anorganische Elektrolyte wie LiAlCl4/SO2 eine Rolle spielen. Sie haben eine weitaus höhere Leitfähigkeit als organische Elektrolyte und sind nicht brennbar.
Obwohl die Lithium-Ionen-Batterie derzeit der Favorit bei den Energiespeichern ist, sollte das Folgende aber nicht aus dem Auge verloren werden:

- Lithium ist sehr selten und teuer, die Nachfrage auf dem Weltmarkt wird in den nächsten Jahren enorm steigen. Die größten Lagerstätten umfassen derzeit ausgetrocknete Salzseen in Südamerika. Weitere Möglichkeiten zur Gewinnung liegen in der aufwändigen Extraktion aus Mineralen von Pegmatiten, die Alumosilikate enthalten. Die wenigen Lagerstätten sind aus heutiger Sicht wohl nicht ausreichend, alle Automobile mit Lithium-Ionen-Batterien auszustatten.
- Trotz erheblicher Verbesserungen von Lithium-Ionen-Batterien sind die derzeitigen Reichweiten noch relativ gering und die Preise sehr hoch. So gab ein japanischer Hersteller allein für die Batterie folgende Zahlen an: Reichweite 160 km, Preis 7.500 €. Ohne Subventionen vom Staat oder der Stromerzeuger kommt die Branche derzeit wohl noch nicht aus.
- Die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterien bleibt ein wichtiges Kernthema. Man muss bedenken, dass der Energieinhalt der Anoden- und Kathodenmaterialkombination etwa 1/3 eines klassischen Sprengstoffs beträgt. In diesem sind oxidierende und reduzierende Gruppen in einem Molekül vorhanden, bei Batterien nur durch den Separator und Schutzschichten getrennt.

Dennoch, die Vielzahl der zu erwartenden elektrochemischen Speicher eröffnet auch immense Möglichkeiten für die Glättung der nicht kontinuierlichen Erzeugung hauptsächlich alternativer Energien. Elektrische Energie könnte auch in diese Batterien eingespeist und dann bei Nachfragespitzen abgegeben werden. Damit stünde den Erzeugern elektrischer Energie ein weiterer großer Energiepuffer zur Verfügung. Es müssen aber noch viele Anstrengungen im Bereich der Forschung aufgewendet werden, um Leistungsfähigkeit und Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Derzeit erweist sich die Lithium-Ionen-Batterie als zukunftsträchtigste Alternative für Elektrofahrzeuge und weitere denkbare Anwendungen. Gedankt sei in diesem Zusammenhang der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für ihre Förderung im Rahmen der Projektinitiative PAK 177 „Funktionsmaterialien und Materialanalytik zu Lithium- Hochleistungsbatterien“.

heiner.gores@chemie.uni-regensburg.de
dominik.moosbauer@chemie.uni-regensburg.de

www.electrolytes.de

Foto: www.daimler.com
Das Hybrid-Antriebskonzept der neuen S-Klasse von Mercedes mit der Lithium-Ionen-Batterie trägt zu einer umfangreichen Energieeinsparung bei.