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Lithiumbatterien

Vielleicht machen sie irgendwann das ganze Womo mobil, aber schon heute kann das mobile Leben von den Vorteilen moderner Akkus profitieren. Hier gibt es ein wenig Theorie, in weiteren Artikeln geht es um die Aufbaubatterie, die Starterbatterie sowie den Ersatz von Akkus in Zubehör.

Die Theorie

Eine Batteriezelle hat eine Anode (Minus) und eine Kathode (Plus). Lithium ist ein wirklich sehr leichtes Leichtmetall, eine Art Mittelding aus Aluminium und Knetmasse. Nimmt man Lithium als Anode und ein Oxidationsmittel wie Mangandioxid als Kathode, und dazwischen eine ionische Flüssigkeit (eine Art flüssiges Salz), dann ist die Lithiumbatterie im Prinzip fertig. Das Lithium kann durch das Salz wandern und mit dem Kathodenmaterial reagieren, aber nur als Ion - die Elektronen müssen aussenrum. Das gibt den Strom. Der chemische Trick besteht darin, dass das Elektron vorher am Lithium und hinterher am Mangan hängt. Der physikalische Trick ist die räumliche Trennung der Teilreaktionen, sodass das Lithium-Metall nicht direkt mit dem Mangan(IV) reagieren kann.

Wenn die Batterie wiederaufladbar sein soll, wird es ein wenig komplizierter. Das fängt mit den Begriffen an, da sich beim Ladevorgang die Stromrichtung umkehrt und damit die Definition von Anode und Kathode vertauscht. Eindeutiger sind die Begriffe "negative Elektrode" für Minus und "positive Elektrode" für Plus. Eine Zelle wie oben beschrieben kann man nicht einfach wieder aufladen, weil sich das Lithium an der negativen Elektrode nicht als kompaktes Metall abscheiden würde und einen Kurzschluss innerhalb der Zelle verursacht.

Man benötigt daher ein zusätzliches Aktivmaterial, welches metallisches Lithium aufnimmt wie ein Schwamm das Wasser, sodass sich die räumliche Struktur der Zelle über den Lade/Entladevorgang nicht ändert. Das Lithium ist dabei im Kristallgitter eingelagert. Hier ist Graphit meist das Mittel der Wahl, weil es billig, leitfähig und robust ist. Die Schichtstruktur erlaubt es, grosse Mengen Lithium einzulagern.

An der positiven Elektrode wird es interessanter: Das Aktivmaterial muss Eletronen aufnehmen können, etwa durch Reduktion eines Metallions, und ausserdem Mischkristalle mit Lithiumionen bilden können. Die Wahl dieses Materials (z.B.  Cobaltdioxid, Eisenphosphat oder Lithiumtitanat) hat entscheidenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Zelle wie Spannung und Energiedichte, aber auch auf die Zyklenfestigkeit und die sichere Handhabung. Entscheidend deshalb, weil die Unterschiede in der Chemie begründet sind. Es handelt sich also um Zellen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften, unabhängig von Bauform oder Spezifikation. 

"Aktivmaterial" bedeutet hier, dass es direkt an der elektrochemischen Reaktion beteiligt ist. Damit daraus eine funktionierende Elektrode wird, sind weitere Materialien wie Leitruss und Metalle nötig. Sie stellen die physikalische Stabilität sowie die Leitfähigkeit sicher, und haben Einfluss auf maximale Lade- und Entladeströme sowie erlaubte Betriebsbedingungen (z.B. Temperatur).

LiFePO

Die interessanteste Ausprägung von wiederaufladbaren Lithiumbatterien im Hinblick auf das Mobildomizil sind diejenigen mit Lithium-Eisenphosphat (LFP oder LiFePO4) als Aktivmaterial an der positiven Elektrode. Sie sind zwar rund doppelt so gross und schwer wie die aus mobilen Telefonen und Computern bekannten Lithium-Ionen-Akkus bei gleicher Kapazität, dafür aber inhärent sicher. Cobaltoxid-Zellen werden ab 180 °C instabil und können einen Brand verursachen. LFP-Zellen verhalten sich ähnlich wie AGM-Batterien, d.h. im Extremfall (Kurzschluss, Umgebungsfeuer) können sie platzen. Weil sie aber keinen flüssigen Elektrolyten enthalten, sind sie sicherer zu handhaben als Bleiakkus. Gegenüber diesen sind sie auch erheblich kompakter, leichter und umweltfreundlicher. Noch interessanter sind die elektrischen Eigenschaften: durch die Zellspannung von 3,2V lassen sich herkömmliche Bleiakkus einfach ersetzen - 6V-Akkus durch 2 Zellen, 12V-Akkus durch 4. Sie sind robust gegen Überspannung, daher können übliche Ladegeräte weiterverwendet werden, wenn sie keine hohen Spannungen zur Desulfatierung einsetzen. Sie können sehr hohe Ströme liefern, und die Kapazität ist voll nutzbar. Während ein Bleiakku immer voll aufgeladen sein sollte, können die Lithiumbatterien in beliebigem Ladezustand lange gelagert werden. Einen weiterer Unterschied  ist, dass eine voll geladene Zelle den Strom nicht mehr leitet. Dies führt zu einem guten Wirkungsgrad, aber auch zu Zelldrift bei einfacher Reihenschaltung, da die erste vollgeladene Zelle den Stromfluss unterbricht und somit die Ladung aller Zellen beendet. Dies verhindert man entweder durch Laden einzelner Zellen oder durch passive Balancer, die parallel zu jeder Zelle geschaltet sind und ab Erreichen der Ladeschlussspannung der Zelle auf Durchgang schalten, sodass die anderen Zellen weitergeladen werden. 

Nachteile gibt es natürlich auch, sonst wären Bleiakkus schon verschwunden. Zuerst natürlich der hohe Preis, der ein mehrfaches bei gleicher Kapazität beträgt. Die bisher gewonnenen Langzeiterfahrungen (>10 Jahre) sprechen für eine längere Haltbarkeit, die den höheren Preis wieder wettmachen kann. Dann gibt es wenig Normteile: Zellen sind als Quader, Rundzellen oder Folienpacks erhältlich, mit sehr unterschiedlichen Anschlüssen. Schliesslich sinkt die Leistung bei tiefer Temperatur, bei starkem Frost (ca. -10 °C) leistet sie überhaupt nichts mehr. Der Vorgang ist reversibel, die Batterie nimmt also keinen Schaden durch die Lagerung bei tiefer Temperatur. Allerdings ist die Nutzung als Starterbatterie für ganzjährig genutzte Fahrzeuge daher nicht optimal. Reicht die Leistung bei tiefen Temperaturen nicht aus, um das Fahrzeug zu starten, ist es ausreichend, die Batterie zu erwärmen, z.B. durch Betrieb, indem man das Licht anmacht. Ausserdem sind neuere Zellen mit Yttrium im Gitter deutlich leistungsfähiger bei tiefen Temperaturen.

Das Ende der Geschichte soll nicht unerwähnt bleiben: es ist auch interessant, wie LFP-Zellen wegsterben. Durch unerwünschte Prozesse wächst eine nichtleitende Schicht an der Elektrodenoberfläche, dadurch steigt der Innenwiderstand der Zelle. Das führt dazu, dass die Spannung bei Belastung zunehmend einbricht, bis die Batterie irgendwann unzureichend funktioniert, also z.B. der Wechselrichter auf Störung geht. Die Kapazität ist von diesen Vorgängen weit weniger betroffen als die Leistungsfähigkeit; für Anwendungen mit geringerem Strombedarf ist die Batterie daher noch nutzbar. Dieser Verschleissvorgang ist temperaturabhängig; zwischen 25 und 45 °C sind viele Tausend Zyklen (Vollständiges Laden - Entladen) ohne grossen Verschleiss möglich. Bei 0 °C oder 55 °C fällt dagegen die Belastbarkeit "schon" nach wenigen hundert Zyklen auf etwa ein Viertel. Daraus wird mitunter eine fehlende Wintertauglichkeit der LFP-Batterien abgeleitet. Ich halte das für einen Fehlschluss, da man mit einigen hundert Zyklen immer noch im Bereich der Bleibatterien liegt, und die betroffenen Temperaturbereiche im Womo fast nie erreicht werden. Ausserdem gelten die Zahlen für LFP-Zellen der ersten Generationen (um 2010), neuere Zellen sind für tiefere Temperaturen geeignet. Die Spezifikation des Herstellers gibt hier verlässliche Auskunft.