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Lithium Batterie Chemie

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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.

Eine Lithium-Batterie ist im Grunde nur eine galvanische Zelle. Diese besteht immer aus der Komponente Lithium, jedoch ist das zweite Element bei der Zelle variabel. Die verschiedenen Versionen der Lithium-Batterie sind auch speziell für verschiedene Zwecke geeignet.

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.

Das Standardpotential gibt an, wie bereit ein Element ist, Elektronen abzugeben. Wenn das Standardpotential positiv ist, dann nimmt der Stoff gerne Elektronen auf. Wenn das Standardpotential jedoch negativ ist, gibt er eher Elektronen ab. Je größer der negative oder positive Wert des Standardpotentials ist, desto höher ist auch die Bereitschaft des Stoffes Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Aber dazu kannst Du Dir auch gerne nochmal den passenden Artikel ansehen: Stoffeigenschaften.

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

Lithium-Batterie Batteriegrößen StudySmarterAbbildung 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.

Lithium Batterie Chemie allgemeiner Aufbau StudySmarterAbbildung 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.

Außer diesen gibt es noch die Lithium-Iod-Batterie, die Lithium-Eisensulfid-Batterie und die Lithium-Luft-Batterie.

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.

Diese Art der Lithium-Batterie ist die einzige Art, bei der das Lithium in der Batterie mit der Elektrolyten-Lösung reagiert. Durch diese Reaktion bildet sich eine Schicht an der Lithium-Elektrode, die aus. Durch diesen leichten LiCl-Film kann es keine beziehungsweise nur wenig unbeabsichtigte Reaktion an der Elektrode geben. Aus diesem Prinzip resultiert die lange Haltbarkeit dieser Lithium-Batterie.

Reaktion

An der Anode gibt das Lithium Elektronen ab. Dadurch entstehen Lithiumionen und freie Elektronen.

Lithium Batterie Chemie Arten Thionylchlorid Oxidation StudySmarter

An der Kathode kommen die Elektronen aus der Anodenreaktion an und diese reagieren dann mit dem Thionylchlorid zu Schwefeloxid (SO2), Schwefel (S) und vier Chloridionen (Cl-).

Lithium Batterie Chemie Arten Reduktion StudySmarter

Aus diesen beiden Reaktionen bilde sich die Gesamtreaktion:

Lithium Batterie Chemie Arten Thionylchlorid Gesamtreaktion StudySmarter

Anwendung

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.

Lithium Batterie Chemie Aufbau Rundzelle Thionylchlorid StudySmarterAbbildung 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.

Ein Leitsalz ist ein Salz, welches die Leitfähigkeit des Elektrolyten verstärkt.

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.

Lithium Batterie Chemie Arten Mangandioxid Oxidation StudySmarter

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).

Lithium Batterie Chemie Arten Mangandioxid Reduktion StudySmarter

Aus diesen beiden Reaktionen ergibt sich dann folgende Gesamtgleichung:

Lithium Batterie Chemie Arten Mangandioxid Gesamtreaktion StudySmarter

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.

Lithium Batterie Chemie Arten Mangandioxid Knopfzelle Aufbau schichten StudySmarterAbbildung 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.

Lithium-Batterie Schwefeldioxid Oxidation StudySmarter

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.

Lithium Batterie Chemie Arten Schwefeldioxid Reduktion StudySmarter

Als Gesamtreaktion ergibt sich daraus dann:

Lithium Batterie Chemie Arten Gesamtreaktion StudySmarter

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.

Lithium Batterie Chemie Arten Kohlenstoffmonofluorid Oxidation StudySmarter

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.

Lithium Batterie Chemie Arten Kohlenstoffmonofluorid Reduktion StudySmarter

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

Lithium Batterie Chemie Arten Kohlenstoffmonofluorid Gesamtreaktion StudySmarter

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

Thionylchlorid

Mangandioxid

Schwefeldioxid

Kohlenstoffmonofluorid

Anoden-reaktionLithium Batterie Thionylchlorid Anodenreaktion StudySmarterLithium Batterie Mangandioxid Anodenreaktion StudySmarterLithium Batterie Schwefeldioxid Anodenreaktion StudySmarterLithium Batterie Kohlenstoffmonofluorid Anodenreaktion StudySmarter
Kathoden-reaktion Lithium Batterie Thionylchlorid Kathodenreaktion StudySmarterLithium Batterie Mangandioxid Kathodenreaktion StudySmarterLithium Batterie Schwefeldioxid Kathodenreaktion StudySmarterLithium Batterie Kohlenstoffmonofluorid Kathodenreaktion StudySmarter

Nenn-

spannung

3,4 Volt

2,8 Volt

2,8 Volt

2,5 bis 3,0 Volt

Temperatur

–55 °C – 85 °C

–40 bis 70 °C

–55 bis 70 °C

– 40 bis 80°C

Anwendung

militärischen und industriellen Bereich, in der Sicherheitstechnik und in elektronischen Energiezählern und Heizkostenverteiler

meistgenutzte Lithium-Batterie, in Kameras, Uhren, Computern, Mikroelektronik, EDV-Anlagen und so weit

meist im militärischen Bereich

durch hohe Kosten besonders in Bereichen genutzt, in denen Leistung wichtiger ist als Kosten, wie z. B. im medizinischen Bereich

Selbst-entladung

1–2 % pro Jahr

1–2 % pro Jahr

1–2 % pro Jahr

0,5–1 % pro Jahr

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!

Lithium Batterie Chemie - Das Wichtigste

  • Die Lithium-Batterie ist ein Primärelement und ist im Grundprinzip eine einfache galvanische Zelle.
  • Es gibt verschiedene Arten der Lithium-Batterie, welche verschiedene Spannungen, Größen und Anwendungsgebiete und vieles mehr haben.
  • Lithium eignet sich durch das hohe Standardpotential sehr als Anodenmaterial.
  • Lithium wird immer an der Anode oxidiert.
  • Die Lithium-Batterie-Arten unterscheiden sich durch die Oxidationsmittel der Reaktion: Thionylchlorid, Mangandioxid, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonofluorid, Iod, Eisensulfid und Luft.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Lithium Batterie Chemie

Eine Lithium-Batterie ist eine Batterie, die als Reduktionsmittel Lithium verwendet. Das Oxidationsmittel kann bei der Lithium-Batterie variieren.

Als Lithium-Batterien gibt es die Lithium-Thionylchlorid-Batterie, die Lithium-Mangandioxid-Batterie, die Lithium-Schwefeldioxid-Batterie, die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie, die Lithium-Iod-Batterie, die Lithium-Eisensulfid-Batterie und die Lithium-Luft-Batterie. 

Die Lithium-Batterie wird, wie jede herkömmlche Batterie auch, in dafür vorgesehene Sammelboxen in Super- und Elektromärkten, Drogerien und Baumärkten kostenlos abgegeben.

Eine Lithium-Batterie funktioniert nach dem Prinzip der galvanischen Zelle. Das Lithium stellt dabei den Elektronenndonator an der Anode dar, welche die Elektronen für die Reaktion zur Verfügug stellt. Diese Elektronen wandern über eine Elektronenbrücke und so Energie frei. An der Kathode findet dann eine Reduktion statt, bei der die freien Elektronen aufgenommen werden.

Finales Lithium Batterie Chemie Quiz

Frage

In welcher Form kommt die Lithium-Mangandioxid-Batterie am meisten vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Mangandioxid-Batterie kommt am häufigsten als Knopfzelle vor.

Frage anzeigen

Frage

An welcher Elektrode reagiert das Lithium?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Lithium reagiert an der Anode.

Frage anzeigen

Frage

Wird Lithium in der Lithium-Batterie oxidiert oder reduziert?


Antwort anzeigen

Antwort

Lithium wird in der Lithium-Batterie oxidiert.

Frage anzeigen

Frage

Wieso eignet sich Lithium so gut als Elektronendonator?

Antwort anzeigen

Antwort

Lithium eignet sich gut als Elektronendonator, da es ein sehr niedriges Standardpotential hat.

Frage anzeigen

Frage

Welche Art der Lithium-Batterie hat die höchste Nennspannung?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Thionylchlorid-Batterie-Batterie hat die höchste Nennspannung.

Frage anzeigen

Frage

Welche Art der Lithium-Batterie hat die niedrigste Selbstentladung?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie hat die niedrigste Selbstentladung.

Frage anzeigen

Frage

In welchem Bereich wird die Lithium-Schwefeldioxid-Batterie genutzt?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Schwefeldioxid-Batterie wird meist im militärischen Bereich genutzt.

Frage anzeigen

Frage

In welchem Bereich wird die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie genutzt und wieso?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie wird meist in Bereichen genutzt, in denen die Leistung wichtiger ist als die Kosten, wie z.B. dem medizinischen Bereich. Die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie ist sehr zuverlässig, jedoch auch sehr teuer.

Frage anzeigen

Frage

Nach welchem Vorbild/ welchem Prinzip funktioniert die Lithium-Batterie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Batterie ist im runde eine galvanische Zelle und funktioniert auch nach diesem Prinzip.

Frage anzeigen

Frage

Was ist das besondere an der Lithium-Thionylchlorid-Batterie?


Antwort anzeigen

Antwort

An der Lithium-Thionylchlorid-Batterie ist besonders, dass sie die einzige Lithium-Batterie ist, bei der das Lithium mit der Elektrolyt-Lösung reagiert.

Frage anzeigen

Frage

Wie wandern die Elektronen und wie die Protonen/Kationen zur Kathode?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Elektronen wandern über die Elektronenbrücke und die Protonen/Kationen wandern durch die semipermeable Membran.

Frage anzeigen

Frage

Welche Arten der Lithium-Batterie kennst du?


Antwort anzeigen

Antwort

Es gibt die Lithium-Thionylchlorid-Batterie, die Lithium-Mangandioxid-Batterie, die Lithium-Schwefeldioxid-Batterie, die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid, die Lithium-Ion-Batterie. die Lithium-Eisensulfid-Batterie und die Lithium-Luft-Batterie.

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