Lithiumbatterie

Eine Lithiumbatterie ist eine Primärzelle, bei der Lithium als aktives Material in der negativen Elektrode verwendet wird. Sie ist im Gegensatz zum Lithium-Ionen-Akkumulator nicht wieder aufladbar. Letztere werden häufig ebenfalls als Lithiumbatterie bezeichnet.

Allgemeines

Lithiumbatterie in Form einer Knopfzelle.

Zerlegte CR2032 Knopfzelle: Von links — negativer Pol von innen betrachtet (mit einer Lage angekratztem, an der Luft oxidiertem Lithium-Metall), Separator (poröses Material), Kathode (Mangandioxid), Metall-Gitter (Ladungssammler), Metall-Deckel (+)(bei der Öffnung zerstört), unten der Dichtungsring aus Kunststoff

Aufgrund des Standardpotenzials von etwa −3,05 Volt (dem negativsten aller chemischen Elemente) und der daraus realisierbaren hohen Zellspannung sowie der hohen theoretischen Kapazität von 3,86 Ah/g ist Lithium ein „ideales“ negatives Elektrodenmaterial für elektrochemische Zellen.

Die hohe Reaktivität von elementarem Lithium (beispielsweise mit Wasser oder bereits mit feuchter Luft) ist allerdings bei der praktischen Umsetzung problematisch. Deshalb können in Lithiumbatterien ausschließlich nicht wässrige, aprotische Elektrolytlösungen, wie z.B. Propylencarbonat, Acetonitril oder Dimethoxyethan, oder Festelektrolyte verwendet werden.

Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden wasserfreie Elektrolytsalze (wie z. B. Lithiumperchlorat LiClO₄) zugesetzt. Die Entwicklung von Lithiumbatterien begann bereits in den 1960er Jahren.

Die Anode typischer Lithiumbatterien besteht aus Lithium und meistens aus leitendem Graphit. Beides ist in einem polymeren Binder suspendiert, der auf einem elektrischen Leiter (Metallfolie) als Film zum Ableiten der bei der Oxidation entstehenden Elektronen aufgebracht ist. Als Binder werden Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polyethylenglykolen (PEG) verwendet. Neuere Forschungen gehen dahin, Alginate in Verbindung mit feinverteiltem Silizium einzusetzen. Hiermit erreicht man deutlich höhere Stromdichten. Außerdem schwellen die Alginat-Binder weniger als die meist benutzten PVDF-Binder.^[1] Als Kathode werden je nach Batterietyp unterschiedliche Oxidationsmittel benutzt. Klassisch und am häufigsten verwendet ist Mangandioxid (siehe Tabelle).

Vorteile von Lithiumbatterien

Vorteile von Lithiumbatterien gegenüber anderen Primärzellen mit wässrigen Elektrolyten (beispielsweise Alkali-Mangan-Batterie oder Zink-Kohle-Batterie) sind die höhere Energiedichte beziehungsweise die höhere spezifische Energie, die hohe Zellspannung, die sehr lange Lagerfähigkeit aufgrund der geringen Selbstentladung sowie der weite Temperaturbereich für Lagerung und Betrieb.

Typen und Anwendungsbereiche

Lithiumbatterien gibt es in vielen verschiedenen Typen, die sich in Kathode, Elektrolyt und Separator unterscheiden. Sie sind in verschiedenen Bauformen und Größen erhältlich, um ein breites Anwendungsfeld abzudecken.

Lithiumbatterie-Typen, typische Spannungen und Anwendungen
Typ	Leerlaufspannung	Typische Lastspannung	Anwendung/Bemerkung
Lithium-Thionylchlorid-Batterie LiSOCl₂	3,7 Volt	3,4 Volt	Anwendungen sind die netzunabhängige Versorgung von Elektronik im militärischen und industriellen Bereich, in der Sicherheitstechnik und in elektronischen Energiezählern und Heizkostenverteilern.
Lithium-Mangandioxid-Batterie LiMnO₂	3,5…3,0 Volt	2,9 Volt	Dieser Typ ist weit verbreitet und wird hauptsächlich für Kameras, Uhren und als Backup-Batterie für Hauptplatinen (Mainboards) in Personalcomputern eingesetzt. Siehe auch Knopfzelle. Als Wickelzelle für hohe Dauerbelastung und Pulsströme geeignet. Vorteil gegenüber Lithiumbatterien mit flüssiger Kathode (LiSO₂,LiSOCl₂,LiSO₂Cl₂) ist die geringere Passivierung der Anode, wodurch Spannungseinbrüche zu Beginn der Belastung (voltage delay) vermieden werden.
Lithium-Schwefeldioxid-Batterie LiSO₂	3,0 Volt	2,7 Volt	Anwendung meist im militärischen Bereich.
Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie Li(CF)_n	3,2…3,0 Volt	3,1…2,5 Volt	Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterien haben etwas höhere Strombelastbarkeit und Kapazität als Lithium-Mangandioxid-Batterien, sind aber teurer. Sie werden daher für Anwendungen verwendet, bei denen Leistung wichtiger als Kosten ist, beispielsweise im medizinischen Bereich.
Lithium-Iod-Batterie LiI₂	2,8 Volt	2,795 Volt	Anwendung zur Stromversorgung von Herzschrittmachern.
Lithium-Eisensulfid-Batterie LiFeS₂	1,8 Volt	1,5 Volt	Anwendung im Fotobereich.
Lithium-Luft-Batterie LiO₂	3,4 Volt.

Lithium-Knopfzellen

Lithiumbatterien gibt es auch in Form von Knopfzellen.^[2]
Die Typenkennzeichnung erfolgt hier nach folgendem Schema:

Aufbau der Typ-Bezeichnung »CRDDMM«:
CR = Lithium-Rundzelle Chemische Zusammensetzung	DD Durchmesser in mm	MM Höhe in 1/10 mm
Beispiel "CR2354"
Abmessungen	Ø 23 mm	Höhe 5,4 mm
Beispiel "CR17450"
Abmessungen	Ø 17 mm	Höhe 45,0 mm

Für Lithium-Knopfzellen haben sich keine herstellereigenen Bezeichnungen verbreitet.

Geringfügige bauliche Abweichungen können vorkommen, so ist beispielsweise der Typ „CR“2354 nach IEC-Standard eine abgewandelte Version des JIS-Standards mit einer kleinen Absatzstufe am Rand des Minuspols.

Wird nicht Mangandioxid, sondern Kohlenstoffmonofluorid als Kathodenmaterial eingesetzt, so lautet die Bezeichnung nicht "CR", sondern "BR".

Siehe auch

Lithium-Polymer-Akku
Lithium-Titanat-Akku

Einzelnachweise

↑ Lothar Jaenicke: Alginsäuren als Schichtmaterial für Lithiumbatterien. In: Chemie in unserer Zeit. 46, Nr. 2, 2012, ISSN 0009-2851, S. 71, doi:10.1002/ciuz.201290022.
↑ Ralf Hottmeyer: Vergleichsliste Knopfzellen und Batterien, Technische Daten und Vergleichslisten für Knopfzellen und Batterien

Literatur

Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren - Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage, McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-07-135978-8.
Wiebke Dirks, Hendrik Vennemann: Lithiumbatterien. In: Chemkon 12, Nr. 1, ISSN 0944-5846, 2005, S. 7–14.
Günter Eichinger, Günter Semrau: Lithiumbatterien I – Chemische Grundlagen. In: Chemie in unserer Zeit 24, Nr. 1, ISSN 0009-2851, 1990, S. 32–36.
Günter Eichinger, Günter Semrau: Lithiumbatterien II – Entladereaktionen und komplette Zellen. In: Chemie in unserer Zeit 24, Nr. 2, ISSN 0009-2851, 1990, S. 90–96.
Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook 2006, ISBN 978-3-939359-11-1.

Weblinks

Rolf Zinniker: Lithium Batterien. ETH Zürich, 2003, abgerufen am 23. Mai. 2011.
Offizielle Webpräsenz der Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien

Galvanische Zellen

[1] Lothar Jaenicke: Alginsäuren als Schichtmaterial für Lithiumbatterien. In: Chemie in unserer Zeit. 46, Nr. 2, 2012, ISSN 0009-2851, S. 71, doi:10.1002/ciuz.201290022.

[2] Ralf Hottmeyer: Vergleichsliste Knopfzellen und Batterien, Technische Daten und Vergleichslisten für Knopfzellen und Batterien

[1]

[2]