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Lithium-Ionen-Batterie (Aufbau und Funktion)
Die Lithium-Ionen-Batterien werden trotz emsigen Forschens für besser Energiespeicher auf absehbare Zeit die Technologie der Wahl bleiben für E-Autos bleiben. Dafür gibt es gute Gründe, die auch im Aufbau und den Abläufen in den Zellen begründet sind.
Grafik: KRAFTHAND / Quellen: Porsche, VW
Dieser Beitrag ist Teil des Spezials: Hybrid- und Elektrofahrzeuge.
Im Elektrolyt zwischen Kathode und Anode befindet sich Lithium, das derzeit als konkurrenzlos gilt und auf absehbare Zeit ein unersetzlicher Ladungsträger für automobile Batterieanwendungen ist. Denn auch wenn an Batterien mit anderen Materialien geforscht wird, gibt es kein anderes Element mit vergleichbaren Eigenschaften. Lithium ist deshalb so gut, weil es als leichtestes Metall des Periodensystems besonders gern eines seiner drei Elektronen abgibt.
Grundsätzlich werden für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen für Elektroautos fünf Hauptrohstoffe benötigt. Auf der Kathodenseite fungiert eine Verbindung der Elemente Kobalt, Nickel und Mangan durch ihre Struktur als Speicherort für den Ladungsträger Lithium, auf der Anodenseite ist dies Grafit.
Anders als beim Lithium sieht es mit Kobalt aus. Der Anteil dieses für eine höhere Leistung in der Kathode befindlichen Rohstoffs lässt sich reduzieren. Während der Anteil an Kobalt oft noch bei zwölf bis 14 Prozent (Gewichtsanteil in der Kathode) liegt, ist es Ziel, diesen in den nächsten Jahren auf fünf Prozent zu reduzieren und in absehbarer Zeit gar kobaltfreie Batteriezellen zu entwickeln.
Beim Entladen fließen Elektronen (e-) von der Anode (negative Elektrode) über den äußeren Stromkreis zur Kathode (positive Elektrode), gleichzeitig wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch den nach beiden Seiten durchlässigen Separator ebenfalls dorthin und migrieren in die Kathodenstruktur. Beim Laden treibt eine von außen angelegte Spannung die Lithium-Ionen wieder in Richtung der negativen Elektrode. Die Elektronen wandern dabei über den äußeren Stromkreis ebenfalls zurück zur Anode.
Die Nennspannung einer Zelle in einer Lithium-Ionen-Batterie liegt bei 3,6 Volt. Unter- beziehungsweise oberhalb von etwa 0 °C und circa 40 °C Zellkerntemperatur nimmt der Lade-/Entladewirkungsgrad deutlich ab und die Zellalterung zu. Aus diesen Gründen verfügen E- und Hybridautos über ein Thermomanagement für die Batterie.
Lithium-Ionen-Batterie
Eine Lithium-Ionen-Batterie ist eine wiederaufladbare Batterie, die elektrische Energie in chemische Energie umwandelt und diese speichert, um sie bei Bedarf wieder als elektrische Leistung abzugeben. Bei der Ladung der Batterie bewegen sich die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode, bei der Entladung von der Anode zur Kathode. Das Elektrolyt ist das Medium, das die Bewegung der Lithium-Ionen ermöglicht, durch den Separator werden Anode und Kathode elektrisch gegeneinander isoliert.
Die Kathode besteht im Allgemeinen aus schweren Oxiden und kann im Verhältnis zu ihrem Gewicht weniger elektrische Energie speichern als die Anode, die aus leichtem Kohlenstoff hergestellt wird. Um die Energiedichte (das Verhältnis von Energie und Gewicht) einer Batterie zu erhöhen, muss daher die Speicherfähigkeit der Kathode vergrößert werden. Denn zwischen Kathode und Anode sollte die Energiemenge immer ausgewogen sein.
Eigenschaften und Merkmale von Lithium-Ionen-Batterien
Funktionen und Vorteile 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie
- Rekuperation aus dem 12-Volt-Netz bei Bremsvorgängen möglich
- Verbesserte Start-Stopp-Leistung für häufigeres und längeres Abschalten des Motors
- Verbesserte Robustheit des elektrischen Systems – stabilere Systemspannung und reduzierte Belastung der Bleisäurebatterie
- Ermöglicht die Größenreduzierung der 12-Volt-Bleisäure- Hauptbatterie
- Langlebige Konstruktion und thermische Stabilität ermöglichen auch die Installation im Motorraum sowie im Gepäck- oder Fahrzeuginnenraum
- In sich geschlossene Steuerung mit integrierter Elektronik, Diagnosekomponenten und Trennschalter
Funktionen und Vorteile 48-Volt-Lithium-Ionen-Batterie
- Verbesserte Energierückgewinnung bei Bremsvorgängen
- Ermöglicht die elektrische Versorgung von leistungsintensiven Verbrauchern wie Klimaanlage, aktive Fahrwerksysteme und elektrische Antriebsunterstützung
- Verbesserte Start-Stopp-Leistung für häufigeres und längeres Abschalten des Motors
- Verbesserte Robustheit des elektrischen Systems – Stabilisierung der Systemspannung und reduzierte Belastung der Bleisäure-Batterie
- Bietet Leistungselemente von Hybrid-Elektrofahrzeugen zu einem Bruchteil der Kosten
- Kleine Baugröße bietet Flexibilität bei der Positionierung im Fahrzeug
- CAN-Standardschnittstelle zum Fahrzeug für Batterieüberwachung, Schaltersteuerung und Diagnose
Lithium-Ionen-Polymer-Batterie
Als Lithium-Ionen-Polymer-Batterie wird üblicherweise ein Batterietyp bezeichnet, dessen Zellen mit so genannter Pouch-Folie ummantelt sind. Der Name Lithium-Ionen-Batterie steht dagegen für Akkus, deren Zellen einen Metallmantel haben.
Zu den Vorteilen einer Lithium-Ionen-Polymer-Batterie gegenüber einem üblichen Lithium-Ionen-Akku zählen:
- größere Effizienz aufgrund der einfacheren Zellstruktur (weniger Teile)
- niedrigere Kosten
- hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit (aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit und der Innendruckkontrolle)
- Fertigungsfreundlichkeit (leicht und in verschiedensten Größen und Formen herstellbar)
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