Lithium Batterie Chemie

Wenn Du schon mal Batterien gekauft hast und Dir die Verpackung genauer angeschaut hast, steht auf den meisten Batterien "Lithium-Batterie" drauf. Fast alle Batterien im herkömmlichen Handel sind Lithium-Batterien. Sie können in vielfältigen Gebieten angewendet werden und sind durchaus als Energieträger etabliert.

Lithium Batterie chemische Eigenschaften

Lithium ist ein sehr geeignetes Material für die Anode einer galvanischen Zelle. Es hat ein sehr negatives Standardpotential (–3,05 V), das heißt Lithium hat den Drang dazu Elektronen abzugeben. Durch dieses hohe Standardpotential entsteht auch eine hohe verfügbare Zellspannung, was der finalen Batterie mehr Kraft in Form von Strom gibt.

Du kannst Lithium-Batterien sehr lange und in einem großen Temperaturbereich lagern und nutzen, da diese eine geringe Selbstentladung aufweisen.

Abbildung 1: Verschiedene Ausführungen der Lithium-BatterieQuelle: guide.directindustry.com

Lithium-Batterie – Aufbau und Funktionsweise

Da eine Lithium-Batterie aufgebaut ist wie eine galvanische Zelle, besteht diese immer aus zwei Elektroden, die über eine Elektrolyt-Brücke miteinander verbunden sind. Um die jeweiligen Elektroden sind Reaktionsräume, in welche die Reaktanden eingeführt werden. Diese Reaktionsräume werden durch eine semi-permeable Membran beziehungsweise einen Separator voneinander getrennt. Durch diese Membran können nur Lithium-Ionen diffundieren.

Abbildung 2: Grundsätzlicher Aufbau einer Lithium-BatterieQuelle: forschungsinformationssystem.de

Die Kathoden- und Anoden-Materialien sind dabei auch variabel für die jeweilige Art der Lithium-Batterie. Jedoch findet an der Anode immer eine Oxidation und an der Kathode immer die Reduktion statt.

In die Oxidation, also die Abgabe von Elektronen, ist Lithium mit einbezogen. Lithium trennt sich grundsätzlich bei dieser Batterie von jeweils einem Elektron. Wie viele Lithium-Ionen und Elektronen für einen Durchgang der Gesamtreaktion benötigt wird, hängt auch wieder mit der Art der Lithium-Batterie zusammen, da die Elektronen-Akzeptoren variieren.

Die Oxidation findet an der Anode statt. Diese besteht aus Lithium und Graphit. Der Graphit wird zusammen mit einem Binder, oft mit leitfähigen Zusätzen, auf Kupferfolie aufgetragen und zwingt die Lithiumatome, einen festen Platz in der Gitterstruktur des Materials zu finden. Dies bringt folgende Vorteile:

• höhere Zyklenfestigkeit
• bessere Schnellladeleistung
• und höhere Qualitätskonstanz im Vergleich zu anderen Batterietypen wie bspw. Blei-Säure-Batterien.

Die Elektronen, die dann das Lithium an der Anode verlassen, wandern dann weiter und sorgen als Strom für die Energieversorgung des jeweiligen Geräts. Von da aus werden diese an weitergeleitet zur Kathode. Die Lithium-Ionen, die durch das Abgeben des Elektronen entstanden, sind nun klein genug, um durch den Seperator zur Kathode zu wandern. Dort reagieren die Ionen bei einer Reduktion mit den vorher abgegebenen Elektronen und dem variablen Oxidationsmittel.

Lithium Batterie Chemie – Arten

Es gibt verschiedene Zusammensetzung der Lithium-Batterie. Die Anodenreaktion beinhaltet jedoch immer Lithium. Die unten aufgeführten Arten der Lithium-Batterie sind die, welche am weitesten verbreitet sind.

Lithium-Thionylchlorid-Batterie

Aufbau

Bei der Lithium-Thionylchlorid-Batterie handelt es sich bei der Anode um eine Lithium-Elektrode und bei der Kathode um eine Kohlenstoffelektrode. Außerdem befindet sich in der Batterie ein nicht-wässriges Elektrolyten, welches aus einer Lösung von Lithium-Tetrachloroaluminat in Thionylchlorid besteht. Diese Lösung wirkt sowohl als Elektrolyt für den Ionentransport als auch als aktiver Depolarisator. Zudem wurde Teflon in Kombination mit der Kohlenstoffkathode als Katalysator für die kathodische Reduktion von Thionylchlorid (SOCl₂) verwendet.

Reaktion

Lithium-Thionylchlorid-Batterien kannst Du dort einsetzen, wo über längere Zeiträume niedriger Strom benötigt wird. Typische Einsatzgebiete sind Anwendungen wie Schließzylinder, Zeitschaltuhren, Abrechnungssysteme oder Heizkostentabellen. Die hohe Energiedichte von Thionylchlorid-Batterien sorgt dafür, dass diese Anwendungen Monate oder sogar Jahre ohne Batteriewechsel laufen können.

Die Lithium-Thionylchlorid-Batterie ist dabei bei einer Temperatur von –55 bis 80 °C anwendbar.

Abbildung 3: Aufbau einer Lithium-Thionylchlorid-Batterie Quelle: chemie-schule.de

Lithium-Mangandioxid-Batterie

Aufbau

Als Elektrolyt wirkt Propylencarbonat und 1,2-Dimethoxyethan mit dem Leitsalz Lithiumperchlorat für Knopfzellenbatterien. Für zylindrische Batterien werden manchmal andere organische Lösungsmittel und andere Lithium-Leitsalze verwendet.

Die positive Elektrode besteht aus speziell vorbehandeltem synthetischem Mangandioxid. Mangandioxid kann eine gewisse Menge an Lithium-Ionen zwischen den Gitterebenen einlagern. Die Lithiumfolie fungiert als negative Elektrode und wird fest gegen das Gehäuse gedrückt.

Reaktion

An der Anode wird Lithium, wie bei der Lithium-Thionylchlorid-Batterie oxidiert. So entstehen wieder Lithium-Ionen und freie Elektronen.

$\mathrm{Li}\to {\mathrm{Li}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}$

Die Lithiumionen wandern durch die Membran und die Elektronen wandern über die Elektronenbrücke zur Kathode hin. Dort reagieren diese zusammen mit Manganoxid (MnO₂) zu Lithium-Manganoxid (LiMnO₂).

${\mathrm{Li}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}+{\mathrm{MnO}}_2\to {\mathrm{LiMnO}}_2$

Aus diesen beiden Reaktionen ergibt sich dann folgende Gesamtgleichung:

$\mathrm{Li}+{\mathrm{MnO}}_2\to {\mathrm{LiMnO}}_2$

Anwendung

Die Lithium-Mangandioxid-Batterie wird hauptsächlich in Form von kleinen Flach- oder Zylinderzellen in Wickeltechnik, aber auch Spulentechnik und Mehrzellen- und Knopfzellen produziert. Dabei ist diese Art die meistgenutzte Lithium-Batterie. Durch die kleine Bauweise findet die Batterie perfekt Platz in Kameras, Uhren, Computern, Mikroelektronik, EDV-Anlagen und vielen mehr.

Abbildung 4: Aufbau einer Knopfzelle am Beispiel der Lithium-Mangandioxid-BatterieQuelle: Prezi.com

Lithium-Schwefeldioxid-Batterie

Aufbau

Schwefeldioxid (SO₂) fungiert sowohl als Lösungsmittel als auch als aktive Kathode. Verständlich ausgedrückt bestehen Ableiter jedoch aus einer Mischung aus Ruß und Polytetrafluorethylen (ein unverzweigtes, lineares, teilkristallines Polymer aus Fluor und Kohlenstoff, das Du auch als Teflon kennst), das gegen ein Aluminiumstück gepresst wird, das als „Kathode“ bezeichnet wird. Die sogenannte Kathode ist mit einem Streifen Lithiumfolie, einer mikroporösen Membran und einer zweiten Membranlage zu einer Spirale gewickelt. Die Rolle wird in einen zylindrischen Behälter geschoben. Nachdem die Elektroden angeschlossen sind, wird die Elektrolytlösung eingefüllt. Die Batterie wird dann luftdicht verschlossen.

Reaktion

Hier findet an der Anode die gleiche Reaktion statt, wie bei den restlichen Batterie-Arten der Lithium-Batterie, nur dass man hier für eine komplette Reaktion zwei Lithium-Teilchen benötigt, die ihre Elektronen abgeben und somit oxidiert werden.

$2\mathrm{Li}\to 2{\mathrm{Li}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}$

An der Kathode kommen die Elektroden dann über die Elektronenbrücke an.

Dort reagieren diese dann mit zwei Schwefeloxiden (SO₂) zu deprotonierter dithioniger Säure. Die Salze werden auch Dithionite genannt.

$2{\mathrm{SO}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_4^{2-}$

Als Gesamtreaktion ergibt sich daraus dann:

$2\mathrm{Li}+2{\mathrm{SO}}_2\to {\mathrm{Li}}_2{\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_4$

Anwendung

Diese fortschrittliche Batterie wird hauptsächlich in militärischen und einigen industriellen Anwendungen eingesetzt. Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihres großen Temperaturbereichs von -55 bis 70°C werden Lithium-Schwefeldioxid-Batterien in tragbaren Geräten des Militärs, wie Funkgeräten und Überwachungsgeräten, verwendet. Bei anderen Anwendungen stehen Langlebigkeit und Einsatzbereitschaft im Vordergrund.

Aufgrund von Versandvorschriften und Sicherheitsbedenken wegen gefährlicher Inhaltsstoffe kann das System auf dem Verbrauchermarkt nicht Fuß fassen.

Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie

Aufbau

Die aktiven Komponenten der Batterie sind Lithium als Anode und Kohlenstoffmonofluorid als Kathode. Kohlenstoffmonofluorid (CF) entsteht durch die Reaktion von Fluorgas mit Kohlenstoff. Nichtleitende CF-Pulver werden mit leitfähigkeitsverbessernden Zusätzen aus Acetylenruß und Graphit sowie verschiedenen Bindemitteln vermischt und auf ein Nickeldrahtgewebe gepresst.

Nach der Wärmebehandlung ist das Kathodenmaterial hochporös und hat eine sehr große Oberfläche. Das während der Entladung gebildete Lithiumfluorid schlägt sich in den Poren der Kathode nieder. Gleichzeitig steigt die elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Entladung durch den gebildeten Kohlenstoff. Dies führt zu einer konstanten Entladungsspannung und verbessert die Entladungseffizienz.

Unter Verwendung von hochreinem Lithiumblech als Anode wird dieses auf Nickel-, Titan-, Aluminium- oder Edelstahlfolie gepresst und kalt verschweißt. Die Elektrolytlösung besteht aus organischen Lösungsmitteln mit darin gelöstem Leitsalz und dient lediglich dem Lithiumionentransport.

Reaktion

Bei der Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie wird an der Anode zunächst wieder das Lithium oxidiert.

$\mathrm{Li}\to {\mathrm{Li}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}$

Die Elektroden wandern zur Kathode und dort reagieren diese mit dem Kohlenstoffmonofluorid. Das Elektron bindet sich an das Fluor und wird damit negativ geladen. Der Kohlenstoff bleibt ohne überschüssige Ladung erhalten.

$\mathrm{CF}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{C}+{\mathrm{F}}^{-}$

In der Gesamtgleichung erkennt man, dass sich das Fluor durch die negative Ladung mit dem Lithium, welches durch die Elektronenabgabe positiv geladen ist, verbindet.

$\mathrm{Li}+\mathrm{CF}\to \mathrm{LiF}+\mathrm{C}$

Anwendung

Das System eignet sich besonders für Anwendungen mit geringem Entladestrom über lange Zeiträume zum Beispiel elektronische Uhren, Taschenrechner, Kameras, Sicherung von Datenspeichern, Implantate in der Medizin und industrielle Anwendungen wie Wärmezähler.

Allerdings ist diese Art der Lithium-Batterie sehr teuer für die erbrachte Leistung. Deshalb wird die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie nur in Bereichen genutzt, in denen Leistung deutlich wichtiger sind als die Kosten. Ein Beispiel für einen solchen Bereich ist der medizinische Sektor, in dem die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie beispielsweise in Herz-Schrittmachern verwendet wird.

Vergleich der Lithium-Batterien

Bei dieser Tabelle hast Du einmal den fixen Überblick über die Hauptmerkmale der vier verschiedenen Lithium-Batterien. Alle vier Batterien haben ihre eigenen Eigenschaften, die sie aus machen und eigene Spezialgebiete, in denen sie am sinnvollsten eingesetzt werden.

Du hast in Deinem Leben bestimmt auch schon die ein oder andere Lithium-Batterie in der Hand gehabt und benutzt. Da Du jetzt optimal informiert bist kannst Du bei der nächsten Batterie, die Du benutzt, ja mal nachschauen, ob es sich nicht vielleicht wirklich um eine der Lithium-Batterien handelt!