Woraus bestehen Lithium-Ionen-Batterien? Materialien erklärt

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus deutlich mehr als nur Lithium. In jeder Zelle arbeiten Kathode, Anode, Elektrolyt, Separator, metallische Stromableiter, leitfähige Kohlenstoffmaterialien, Bindemittel, Anschlüsse und ein schützendes Zellgehäuse zusammen.

Bei einer vollständigen Batterie kommen weitere Materialien hinzu. Dazu zählen Stromschienen aus Kupfer oder Aluminium, Kabel, Isolierungen, Temperatursensoren, Steuerplatinen, Halbleiterschalter, Befestigungselemente und ein äußeres Batteriegehäuse.

Die genaue Materialzusammensetzung hängt von der Zellchemie ab. LiFePO4-Zellen verwenden Eisen und Phosphat in der Kathode. NMC-Zellen enthalten Nickel, Mangan und Kobalt. Es gibt jedoch auch Lithium-Ionen-Batterien, deren Kathoden weder Nickel noch Kobalt enthalten. Als Anodenmaterial wird bei herkömmlichen wiederaufladbaren Zellen normalerweise Graphit und kein metallisches Lithium eingesetzt.

Die wichtigsten Materialien einer Lithium-Ionen-Zelle

Jedes Material erfüllt eine klar definierte Aufgabe. Kathode und Anode speichern Energie, der Elektrolyt transportiert Lithium-Ionen, der Separator hält die Elektroden voneinander getrennt und die Metallfolien leiten Elektronen.

Beim Laden wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode. Beim Entladen bewegen sie sich zurück zur Kathode. Elektronen können den Separator nicht durchqueren und fließen deshalb durch den äußeren Stromkreis zum angeschlossenen Verbraucher.

Kathodenmaterialien

Lithium-Eisenphosphat

Lithium-Eisenphosphat wird als LFP oder LiFePO4 bezeichnet. Die Kathode enthält Lithium, Eisen, Phosphor und Sauerstoff.

Die Phosphatstruktur ist chemisch stabil und setzt bei hohen Temperaturen weniger leicht Sauerstoff frei als viele geschichtete nickelbasierte Kathoden. Dies trägt zur guten thermischen Stabilität und langen Zyklenlebensdauer bei. Eine typische LFP-Zelle besitzt eine Nennspannung von etwa 3,2V.

• Die Kathode enthält weder Nickel noch Kobalt.
• Bei geeigneten Betriebsbedingungen ist eine hohe Zyklenzahl möglich.
• Die thermische und chemische Stabilität ist vergleichsweise hoch.
• Die Energiedichte liegt häufig unter der von NMC- oder NCA-Zellen.
• Die Entladespannung verläuft über weite Bereiche relativ flach.

Vier in Reihe geschaltete LFP-Zellen ergeben eine Nennspannung von 12,8V:

4 × 3,2V = 12,8V

Sechzehn Zellen ergeben eine 51,2V-Batterie:

16 × 3,2V = 51,2V

Solche Konfigurationen werden häufig in Wohnmobilen, Golfcarts, Booten, Solarspeichern, Inselanlagen und Notstromsystemen eingesetzt.

Vatrer nutzt LiFePO4 in vielen Deep-Cycle-Anwendungen, bei denen Lebensdauer, thermische Stabilität und regelmäßiges Laden und Entladen wichtiger sind als die höchstmögliche Energiedichte.

Nickel-Mangan-Kobalt

NMC-Kathoden enthalten Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Sauerstoff.

• Nickel erhöht in der Regel Kapazität und Energiedichte.
• Mangan unterstützt die strukturelle und thermische Stabilität.
• Kobalt stabilisiert die Schichtstruktur und trägt zu einer gleichmäßigen elektrochemischen Leistung bei.

Die Zahlen in der NMC-Bezeichnung beschreiben das ungefähre Verhältnis der drei Übergangsmetalle:

• NMC111: ungefähr gleiche Anteile von Nickel, Mangan und Kobalt;
• NMC622: etwa 60% Nickel, 20% Mangan und 20% Kobalt;
• NMC811: etwa 80% Nickel, 10% Mangan und 10% Kobalt.

Ein höherer Nickelanteil kann Kapazität und Energiedichte erhöhen und gleichzeitig den Kobaltbedarf senken. Nickelreiche Materialien reagieren jedoch empfindlicher auf Feuchtigkeit, hohe Zellspannungen und erhöhte Temperaturen. Beschichtungen, Elektrolytrezeptur, Kühlung und Batteriesteuerung werden dadurch anspruchsvoller.

Nickel-Kobalt-Aluminium

NCA-Kathoden bestehen aus Lithium, Nickel, Kobalt, Aluminium und Sauerstoff. Der hohe Nickelanteil ermöglicht eine hohe spezifische Energie, während Aluminium zur Stabilisierung der Kristallstruktur beiträgt.

NCA eignet sich für Anwendungen, bei denen geringes Gewicht und hohe Energiespeicherung wichtig sind. Eine präzise Spannungs- und Temperaturregelung ist jedoch unverzichtbar.

Lithium-Kobaltoxid

LCO enthält Lithium, Kobalt und Sauerstoff. Die hohe volumetrische Energiedichte ist für Smartphones, Tablets, Notebooks und andere kompakte Geräte vorteilhaft.

Zu den Nachteilen zählen hohe Kobaltkosten, Lieferkettenrisiken, eine mäßige Zyklenlebensdauer und eine stärkere thermische Belastung bei hohem Ladezustand. Für große Deep-Cycle-Systeme wird LCO deshalb nur selten verwendet.

Lithium-Manganoxid

LMO verwendet eine manganbasierte Spinellstruktur. Lithium-Ionen können sich darin schnell bewegen, was eine hohe Leistungsabgabe ermöglicht.

Bei einigen Ausführungen nimmt die Kapazität schneller ab, da sich Mangan allmählich im Elektrolyten lösen kann. LMO wird teilweise mit NMC kombiniert, um hohe Leistung und verbesserte Energiespeicherung zu verbinden.

Anodenmaterialien

Graphit

Graphit ist weiterhin das Standardmaterial für kommerzielle Lithium-Ionen-Anoden. Lithium-Ionen lagern sich durch einen reversiblen Prozess, die sogenannte Interkalation, zwischen den Kohlenstoffschichten ein.

Die theoretische Kapazität beträgt ungefähr 372mAh/g. Obwohl Silizium deutlich mehr Lithium speichern kann, bietet Graphit eine ausgewogene Kombination aus Stabilität, Kosten, Fertigungsreife und Zyklenwirkungsgrad.

Silizium-Graphit-Mischungen

Silizium besitzt eine theoretische Kapazität von etwa 3.579mAh/g und damit fast das Zehnfache von Graphit. Eine fertige Batterie erreicht dadurch jedoch nicht die zehnfache Energie, da Kathode, Elektrolyt, Separator, Gehäuse und weitere Materialien die Gesamtleistung begrenzen.

Das Hauptproblem ist die Volumenausdehnung. Beim Einlagern von Lithium kann sich Silizium stark ausdehnen. Wiederholte Ausdehnung und Schrumpfung können:

• Siliziumpartikel aufbrechen;
• elektrische Kontakte zwischen Partikeln unterbrechen;
• das Bindemittel beschädigen;
• die schützende Oberflächenschicht aufbrechen;
• Elektrolyt und aktives Lithium verbrauchen.

Kommerzielle Anoden enthalten daher meist nur einen begrenzten Anteil an Silizium oder Siliziumoxid in einer Graphitmatrix.

Lithiumtitanat

Bei LTO wird Graphit durch Lithiumtitanat ersetzt. Die theoretische Kapazität liegt bei etwa 175mAh/g.

Die höhere Anodenspannung reduziert das Risiko einer Lithiumabscheidung und ermöglicht schnelles Laden, eine hohe Zyklenzahl und gute Leistung bei niedrigen Temperaturen. Gleichzeitig sinkt die gesamte Zellspannung auf etwa 2,3–2,4V, wodurch die Energiedichte geringer ausfällt.

Elektrolytmaterialien

Lithiumsalze

Lithiumhexafluorophosphat, kurz LiPF6, wird in herkömmlichen Flüssigelektrolyten häufig verwendet. Typische Konzentrationen liegen bei ungefähr 1,0–1,2mol/L.

Weitere Salze sind LiBF4, LiFSI und LiTFSI. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Leitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Hochvoltstabilität und Kosten.

Organische Lösungsmittel

Das Lithiumsalz wird in Carbonat-Lösungsmitteln gelöst. Häufig eingesetzt werden Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Ethylmethylcarbonat.

In der Regel werden mehrere Lösungsmittel kombiniert. Ein Bestandteil unterstützt beispielsweise die Bildung einer stabilen Schutzschicht, während ein anderer die Viskosität senkt und die Ionenbewegung verbessert.

Organische Carbonate sind grundsätzlich brennbar. Deshalb sind Separatorqualität, Spannungsregelung, Temperaturmanagement und Schutzschaltungen besonders wichtig.

Elektrolytadditive

Additive können die Schutzschicht der Anode stabilisieren, Gasbildung reduzieren, das Laden bei niedrigen Temperaturen verbessern, Hochvolt-Kathoden schützen und den Elektrolytabbau verlangsamen.

Separatoren, Stromableiter und Bindemittel

Separatoren

Separatoren bestehen häufig aus Polyethylen, Polypropylen, mehrschichtigen PE/PP-Folien oder keramisch beschichteten Polymeren.

Die Dicke liegt typischerweise zwischen 12 und 25µm. Dünnere Separatoren verringern den Ionenwiderstand, bieten jedoch weniger Toleranz gegenüber Verunreinigungen, Porenfehlern und mechanischen Schäden.

Keramische Beschichtungen verbessern die Wärmebeständigkeit, machen eine Zelle aber nicht unempfindlich gegen Überladung, Quetschung oder interne Kurzschlüsse.

Stromableiter

Die Kathode wird normalerweise auf Aluminiumfolie beschichtet. Für Graphit- und Siliziumanoden wird Kupferfolie verwendet.

• Kathodenfolie aus Aluminium: meist 8–15µm;
• Anodenfolie aus Kupfer: meist 6–12µm.

Aluminium ist bei Kathodenspannungen stabil und leichter als Kupfer. Bei der niedrigen Spannung einer Graphitanode kann Aluminium mit Lithium reagieren, weshalb dort Kupfer eingesetzt wird.

Leitfähige Additive und Bindemittel

Ruß und leitfähiger Graphit bilden Elektronenpfade zwischen den Aktivmaterialpartikeln. PVDF, CMC und SBR halten die Beschichtung auf der Metallfolie.

Zu viel leitfähiger Kohlenstoff oder Bindemittel reduziert den Anteil an Aktivmaterial. Zu wenig kann Widerstand, Rissbildung und Ablösung erhöhen.

Vergleich gängiger Lithium-Ionen-Chemien

Die Chemiebezeichnung beschreibt nicht automatisch die Qualität der Zelle. Partikelgröße, Elektrodenstärke, Oberflächenbeschichtungen, Elektrolytadditive, Separatorqualität, Materialreinheit und Fertigungsbedingungen beeinflussen das Ergebnis.

Materialien außerhalb der Zelle

Zellgehäuse

• Rundzellen verwenden meist vernickelte Stahlgehäuse.
• Prismatische Zellen besitzen häufig Aluminiumgehäuse.
• Pouch-Zellen verwenden ein leichtes Aluminium-Polymer-Laminat.

Das Gehäuse beeinflusst Kühlung, mechanische Stabilität, Gewicht, Ausdehnungskontrolle und Montage.

Aufbau des Batteriepacks

Ein vollständiges Batteriepack kann Stromschienen aus Kupfer oder Aluminium, Kupferkabel, Anschlüsse, Isolierungen, Zellhalter, Druckplatten, Dichtungen, Entlüftungselemente, Befestigungsteile und ein Gehäuse aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff enthalten.

Die Qualität der Verbindungen ist entscheidend. Zu kleine Stromschienen, schlechte Schweißstellen, lose Anschlüsse oder Korrosion können bei hohen Strömen erhebliche Wärme erzeugen.

Temperaturmanagement und Elektronik

Batterien können Wärmeleitpads, Kühlplatten, Heizungen, Wärmeverteiler, flammhemmende Barrieren, Temperatursensoren, Steuerplatinen, Schütze und Halbleiterschalter enthalten.

Das Batteriemanagementsystem überwacht Zellspannungen, Packstrom, Temperatur, Lade- und Entladegrenzen, Zellbalancierung und Fehlerzustände.

Vatrer-Batterien kombinieren LiFePO4-Zellen der Grade-A-Klasse mit Schutzelektronik, Temperaturüberwachung, belastbaren Strompfaden und anwendungsspezifischen Gehäusen.

Wie Materialien die Batterieleistung beeinflussen

Energie und Spannung

Die gespeicherte Energie lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Wattstunden = Volt × Amperestunden

Eine LFP-Zelle mit 3,2V und 100Ah speichert etwa 320Wh. Eine Zelle mit 3,6V und 100Ah speichert etwa 360Wh. Bei gleicher Amperestunden-Kapazität besitzt die 3,6V-Zelle 12,5% mehr Nennenergie.

• LFP: ungefähr 90–160Wh/kg;
• NMC: ungefähr 150–250Wh/kg;
• LCO: ungefähr 150–200Wh/kg.

Die Energiedichte eines vollständigen Batteriepacks ist geringer, da Gehäuse, Verkabelung, Stromschienen, BMS und Temperaturmanagement zusätzliches Gewicht verursachen.

Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer

Die Ladeleistung hängt von Partikelgröße, Porosität, Elektrodenstärke, Leitfähigkeit, Elektrolytrezeptur, Temperatur und Stabilität der Grenzflächen ab.

Bei niedrigen Temperaturen bewegen sich Lithium-Ionen langsamer. Wird eine Graphitanode zu schnell geladen, kann sich metallisches Lithium auf ihrer Oberfläche abscheiden.

Zyklenangaben sind nur im Zusammenhang mit Entladetiefe, Temperatur, Lade- und Entladestrom, Spannungsgrenzen, Lagerbedingungen und dem definierten Lebensdauerende aussagekräftig.

Sicherheit

LFP besitzt in der Regel eine bessere thermische Stabilität als nickelreiche Schichtoxide. Dennoch können auch LFP-Batterien durch starke Überladung, interne Kurzschlüsse, Quetschung, Durchstoß, äußeren Brand, fehlerhafte Verkabelung oder mangelhafte Anschlüsse beschädigt werden.

Kosten, Rohstoffe und Recycling

Zu den wichtigsten Rohstoffen zählen Lithium, Graphit, Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Eisen und Phosphor.

LFP kommt in der Kathode ohne Nickel und Kobalt aus, benötigt jedoch weiterhin Lithium, Graphit, Kupfer, Aluminium, Eisenverbindungen, Phosphatmaterialien und Elektrolytchemikalien.

Beim Recycling können Kupfer, Aluminium, Nickel, Kobalt, Mangan, Lithium, Stahl und teilweise Graphit zurückgewonnen werden.

Nickel- und kobaltreiche Batterien besitzen häufig einen höheren unmittelbaren Materialwert. Wirtschaftliches LFP-Recycling hängt stärker von effizienten Sammelsystemen, großen Mengen und kostengünstigen Aufbereitungsverfahren ab.

Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien dürfen nicht im Hausmüll oder in normalen Recyclingbehältern entsorgt werden. Beschädigung oder Verdichtung kann Kurzschlüsse und Brände verursachen. Die Batterien müssen zu einer geeigneten Sammelstelle gebracht werden.

Neue und zukünftige Batteriematerialien

• Siliziumreiche Anoden sollen die Kapazität erhöhen, müssen jedoch die Volumenausdehnung kontrollieren.
• Festelektrolyte können aus keramischen, sulfidischen, polymeren oder kombinierten Materialien bestehen.
• Lithiummetall-Anoden besitzen eine theoretische Kapazität von etwa 3.860mAh/g.

Zu den Herausforderungen zählen Grenzflächenwiderstand, mechanischer Druck, Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Dendritenbildung, Haltbarkeit und Produktionskosten.

Natrium-Ionen-, Kalium-Ionen-, Magnesium-, Lithium-Schwefel- und Eisen-Luft-Batterien sind eigenständige Batteriesysteme und keine gewöhnlichen Varianten der Lithium-Ionen-Chemie.

Häufige Missverständnisse

• Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht nicht überwiegend aus metallischem Lithium.
• Lithium befindet sich meist in Kathodenverbindungen und Elektrolytsalzen.
• LFP-Kathoden enthalten weder Nickel noch Kobalt.
• Der Elektrolyt ist kein flüssiges Lithium.
• Graphit ist ein aktives Speichermaterial und kein bloßer Füllstoff.
• Der Separator lässt Ionen passieren, blockiert jedoch den direkten Elektronenfluss.
• Eine Keramikbeschichtung erhöht die Wärmebeständigkeit, macht die Zelle aber nicht feuerfest.
• Die Chemiebezeichnung sagt nichts über Fertigungsqualität, BMS oder Gehäusestabilität aus.
• Zellmaterialien und Materialien des Batteriepacks erfüllen unterschiedliche Aufgaben.

Fazit

Die Materialien bestimmen die grundlegenden Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie. Für die praktische Auswahl sind jedoch auch Nennspannung, nutzbare Energie, Temperaturbereich, Ladegrenzen, Strombelastbarkeit, BMS-Funktionen, Gehäusekonstruktion und Fertigungsqualität entscheidend.

LFP eignet sich häufig für Wohnmobile, Boote, Golfcarts, Solarspeicher und Notstromanlagen, bei denen Lebensdauer und thermische Stabilität wichtig sind. NMC und NCA bieten eine höhere Energiedichte für Anwendungen mit begrenztem Platz und Gewicht. LTO wird vor allem dort eingesetzt, wo extrem schnelles Laden und eine sehr hohe Zyklenzahl Vorrang haben.

Die beste Batterie ist nicht automatisch diejenige mit dem modernsten Materialnamen. Entscheidend ist, dass Zellen, Elektronik, Anschlüsse, Gehäuse und Ladesystem zur tatsächlichen Last, zum Temperaturbereich und zum täglichen Einsatz passen.