Die Lithium-Ionen Batterie ist derzeit die geeignetste Variante für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und soll in diesem Kapitel detaillierter beschrieben werden. Zu Beginn wird ein Überblick über die verschiedenen Klassen der Lithium Batterie gegeben und geklärt, welcher Typ unter dem Begriff „Lithium-Ionen“ Batterie überhaupt gemeint ist. In einem zweiten Schritt werden die wichtigsten Materialen beschrieben, die derzeit für die Zellkonstruktion zur Verfügung stehen.
Das Kapitel schließt mit einer kurzen Abhandlung über die Rohstoffverfügbarkeit von Lithium Batterien, da diese häufig als Engpass dieser Technologie gesehen wird.
Klassifizierung von Lithium-Batterien
Seit Anfang der 90er Jahre werden Lithium-Ionen Batterien vor allem im portablen Gerätebereich wie Laptops, Handys und Digitalkameras eingesetzt und für diesen Markt bereits in großen Stückzahlen produziert. In den letzten Jahren sind auf Basis der positiven Eigenschaften dieser Batterie dann vermehrt Bestrebungen entstanden, Lithium-Ionen Batterien auch für den mobilen Einsatz in Elektrofahrzeugen zu verwenden. Allen voran ist hier die Firma Tesla Motors aus den USA zu nennen, die bereits seit einigen Jahren ihren vollelektrischen Sportwagen ausgerüstet mit herkömmlichen Laptop-Akkus anbietet. Jedoch sind, wie bereits in Kapitel 3 beschrieben, die Anforderungen an Fahrzeugbatterien sehr viel höher als im Gerätebereich, weshalb eine Konstruktion der Zellen speziell für Elektrofahrzeuge unerlässlich ist.
Der Begriff Lithium Sekundärbatterie bezeichnet ursprünglich eine ganze Gruppe verschiedener Technologien von denen Akkumulatoren auf Lithium Ionen Basis nur eine Teilmenge sind. In Abbildung 1 ist die Klassifizierung der Lithium Batterien und deren Funktionsweise grafisch dargestellt. So wird grundsätzlich zwischen den Lithium Ionen und den Lithium Metall Akkumulatoren unterschieden. Die Lithium Ionen Technologie kann dabei als Weiterentwicklung der Lithium Metall Batterien angesehen werden. Zuerst wurden Batterien mit Anoden aus metallischem Lithium eingesetzt, wodurch eine sehr hohe Energiedichte erreicht werden konnte. Die Anode löst sich während des Entladevorgangs auf indem sie Lithium Ionen (Li+) abgibt, die sich an der Kathode in ein Metalloxid (MOx) einlagern. Doch der große Nachteil ist, dass bei der Umkehrreaktion das Lithium nicht wieder seine ursprüngliche Form an der Anode annimmt, sondern dazu neigt ungeordnete Kristallstrukturen, die sogenannten Dendriten, zu bilden. Lithium Metall Batterien haben daher sehr kurze Lebensdauern von nur rund hundert Zyklen. Sie werden hauptsächlich als Primärzellen in kleinen Geräten mit hohem Energiebedarf, z.B. Hörgeräten eingesetzt.
Abbildung 1 Klassifizierung von Lithium Sekundärbatterien
(Quelle: basierend auf Tübke, 2010)
Das Problem der Dendritenbildung wurde schließlich dadurch gelöst, dass das Lithium wie bei der Kathode auch an der Anode in Ionenform in ein Gitter eingelagert wird. Daher die Bezeichnung Lithium Ionen. Beide Technologien werden zusätzlich nach der Art ihrer Elektrolyten unterschieden. Es gibt Batterien mit flüssigen Elektrolyten und Batterien mit festen Polymerelektrolyten. Elektrolyten auf Polymerbasis erlauben eine sehr dünne und sicherere Konstruktion der Zellen. Die Lithium-Ionen Polymer Batterien werden im Allgemeinen oft auch abgekürzt Lithium Polymer Batterien genannt. Daher ist im Zweifelsfall zu klären, welche der beiden Technologien gemeint ist.
Wie bereits erwähnt, haben Lithium Metall Batterien nur sehr kurze Lebensdauern. Dennoch gibt es eine Firma die Lithium Metall Polymerbatterien für die Industrie anbietet, das französische Unternehmen Batscap. Angaben über die Lebensdauer der Batterien werden aber nicht gemacht (Stand 2010). Lithium Metall Batterien mit flüssigem Elektrolyten haben keine wirtschaftliche Relevanz. Bei den Lithium Ionen Batterien liegt der Schwerpunkt der Produktion deutlich bei den Zellen mit flüssigem Elektrolyten. Vier Hersteller bieten derzeit auch Lithium Ionen Polymerbatterien ab, diese Technologie steht aber noch sehr am Anfang der Entwicklung. Daher soll im Folgenden die Lithium Ionen Technologie mit flüssigem Elektrolyten genauer untersucht werden. Wenn der Begriff „Lithium Ionen“ verwendet wird, so ist damit die Batterie mit Flüssigelektrolyten gemeint.
Zellmaterialien
Bei der Konstruktion von Lithium Ionen Batterien gibt es eine Vielzahl von möglichen Varianten. In den letzten Jahren wurden eine Reihe verschiedener Kathoden-, Anoden- und Elektrolytmaterialien entwickelt. Auf alle genauer einzugehen wäre Stoff für ein eigenständiges Buch. Der interessierte Leser sei hier auf Yoshio et al. (2009) verwiesen, die eine sehr aktuelle Übersicht des Entwicklungsstandes von Lithium Ionen Batterien geben. An dieser Stelle soll nur auf die zurzeit wichtigsten Materialien eingegangen werden. Wie bereits erwähnt, bestehen die Elektroden aus Verbindungen, die in der Lage sind, Lithium in ihren Strukturen einzulagern. Die zugrunde liegende Zellreaktion lautet:
LiMO2 + C6 <=> MO2 + LiC6
In der Formel ist als Anodenmaterial Graphit (C6) angegeben, in welches während des Aufladevorgangs Lithium eingelagert wird (LiC6). Statt des Graphits wird auch noch amorpher Kohlenstoff (C6) oder Titanat (Ti5O12) verwendet. Weil sie eine sehr hohe Stabilität, auch bei Tiefentladungen, aufweist, ist die Anode aus Graphit am weitesten verbreitet. Deshalb wird oft zur Spezifikation von Lithium Batterien das eingesetzte Kathodenmaterial im Batterienamen mit angegeben. Für die positive Elektrode existieren derzeit nämlich deutlich mehr Verbindungen die zur Auswahl stehen und es ist nicht ausgeschlossen, dass in Zukunft weitere Varianten mit noch besseren Eigenschaften entwickelt werden. Das liegt vor allem daran, dass derzeit noch kein Material zur Verfügung steht, welches alle Anforderungen an Sicherheit, Lebensdauer, Kosten, etc. optimal erfüllt. Deutlich wird dies, wenn man die Eigenschaften der momentan wichtigsten Kathodenverbindungen in Abbildung 2 betrachtet.
Abbildung 2 tabellarische Übersicht der Eigenschaften von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien
(basierend auf Kalhammer et al, 2007)
Lithium Kobaltoxid (LiCoO2) wird aufgrund seiner hohen Speicherkapazität bei sehr guter Langzeitstabilität bereits in großem Maßstab für Batterien in Unterhaltungselektronik verwendet. Für Anwendungen mit größeren Speicherkapazitäten ist Kobaltoxid aber deutlich zu teuer. Ein Ersatz mit annähernd gleichen Eigenschaften aber deutlich geringeren Kosten ist das Lithium Nickelkobaltaluminiumdioxid (Li(Ni0,85Co0,1Al0,05)O2). Jedoch ist es im Verhältnis zu anderen Alternativen auch noch relativ teuer und wird daher hauptsächlich für Hybridanwendungen mit kleinen Batterien fokussiert. Li(Ni0,33Mn0,33Co0,33)O2 kann mit zwei unterschiedlichen Spannungen betrieben werden und erreicht bei Spannungen um 3,9 Volt sehr hohe Kapazitäten und somit auch recht niedrige spezifische Kosten. Der Nachteil dieser Verbindung ist die geringere chemische Stabilität und somit kalendarische Lebensdauer. Lithium Mangandioxid (LiMnO2) ist aufgrund seiner Struktur stabiler als die vorher erwähnten Materialien und das billigste aller Varianten mit Kosten von ca. 25 Dollar pro Kilowattstunde. Der große Nachteil ist hingegen die geringe Langzeitstabilität, da das Mangan dazu neigt, in Lösung zu gehen. Eine weitere sehr kostengünstige Alternative stellt die Kathode aus Lithium Eisenphosphat (LiFePO4) dar. Es vereint hohe elektrochemische Stabilität und sehr gute Zyklisierbarkeit bei geringen Kosten. Nachteilig ist die geringe Energiedichte. Lithium Eisenphosphat wird bereits in einer Reihe von Batterien für Elektrofahrzeuge eingesetzt.
Neben den Elektroden gibt es auch für den Elektrolyten mehrere Ansätze. Grundsätzlich besteht der Flüssigelektrolyt einer Lithium Batterie aus einem Salz, einem Lösungsmittel und bestimmten Zusätzen. Wie schon bei den Kathodenmaterialien gibt es kein verfügbares Salz oder Lösungsmittel, welches alle Anforderungen sehr zufriedenstellend erfüllt, weshalb weiterhin hoher Forschungsbedarf besteht. In den letzten Jahren sind eine Vielzahl von Varianten getestet worden und derzeitiger Stand der Technik sind Elektrolyten mit Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) als Salz und einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Für den Separator werden derzeit zwei Ansätze verfolgt. Standardmäßig wird eine Trennfolie aus Polyethylen oder Polypropylen verwendet. Dieses Material hat jedoch den Nachteil, dass der Separator bei Temperaturen um 140°C anfängt zu schmelzen und es so zu einem Kurzschluss und dem Zerstören der Zelle kommen würde. Deutlich höhere Temperaturen bis zu 500°C halten Separatoren aus, die aus einem Vlies versetzt mit Keramikpartikeln bestehen und bereits erfolgreich in Zellen eingesetzt wurden.
Rohstoffverfügbarkeit
Die zukünftige Ressourcenverfügbarkeit wird sehr kontrovers diskutiert und wird von manchen Experten als der große Engpass bei der großflächigen Einführung von Lithium Ionen Batterien gesehen. Eine sehr aktuelle Einschätzung über die Verfügbarkeit von Lithium vor dem Hintergrund eines stark wachsenden Anteils von Elektrofahrzeugen hat das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (Angerer et al., 2009) in einer Ende 2009 veröffentlichten Studie gegeben. Darin kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es bei einer sehr hohen Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen und sehr konservativ geschätzten Reserven trotz Recyclings bereits im Jahr 2045 zu einem vollständigen Verbrauch der weltweiten Lithiumvorkommen kommt. Dieses Szenario wird zwar als sehr unwahrscheinlich eingestuft, zeigt aber auf, dass in Zukunft mit Preissteigerungen für das Metall zu rechnen ist und weiterer Forschungsbedarf für Alternativtechnologien besteht.
Problematisch ist zusätzlich, dass ein großer Teil der Reserven in politisch instabilen Regionen liegt, sich nur auf einige wenige Länder konzentriert und die Abbaugebiete in sensiblen Naturgebieten liegen. Meist unterschätzt wird aber auch der Einfluss von anderen Metallen. So haben Nickel und Kobalt, die ebenso für die Konstruktion der Zelle benötigt werden, einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Gesamtpreis. Der Verwertung von Lithium Ionen Batterien ist noch stark in der Entwicklungsphase. Eine großflächige, intakte Rücknahmeinfrastruktur, wie sie bereits für Blei Batterien aufgebaut wurde, ist zukünftig für Traktionsbatterien auf Lithium Basis zu entwickeln. Lithium Batterien bestehen aus einer großen Anzahl an Metallen und anderen Verbindungen. Das gesamte Verfahren ist recht aufwendig, kann aber trotzdem wirtschaftlich durchgeführt werden, da wiedergewonnenes Kobalt erlösbringend verkauft werden kann. Lithium kann derzeit kommerziell zu 80% aus alten Batterien rückgewonnen werden, bisher liegt der Fokus von Reyclingunternehmen aber auf dem Kobalt (Stand 2012). Sollte der Preis für Lithium weiter steigen, wird auch die Wiederverwertung von Lithium ökonomisch attraktiver.
