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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.
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