In einem Akku laufen beim Laden komplizierte chemische Prozesse ab. Lithium-Ionen bewegen sich durch Elektrolyt von der Kathode zur Anode, Elektronen durchlaufen die Drähte und schließen den Stromkreis. Es kommt zu Potential- und Konzentrationsunterschieden. Das alles klingt sehr kompliziert. Doch so schwer muss es nicht sein. Dieser Artikel gibt einen einfachen Überblick in die Funktionsweise einer Lithium-Batterie – Mit vielen Bildern und ohne chemische Formeln und ohne Mathematik.
Lithium-Ionen Batterien gibt es in verschiedenen Bauformen: Rundzelle, Knopfzelle, prismatisch und im Pouch-Bag Format. Der innere Aufbau ist aber eigentlich immer der gleiche: Eine Zelle besteht aus:
- Anodenaktivmaterial
- Kathodenaktivmaterial
- Separator
- Elektrolyt
- Strom-Kollektor-Folie/Ableiter
- und Gehäuse
Anodenaktivmaterial und Kathodenaktivmaterial werden auf Kupfer-bzw. Alufolien aufgetragen. Zwischen die Anodenfolie und die Kathodenfolie wird die Separator-Folie gepackt, damit es zu keinem Kurzschluss kommt. Bei einer Rundzelle z.B. der Bauform 18650 wird der Folienstapel dann zu einem Zylinder aufgerollt. Dies ist im unten stehenden Bild zu erkennen. Der Folienverbund wird dann in ein Metall-Gehäuse gepackt und der Elektrolyt dazu gegeben. Im letzten Schritt wird das Gehäuse dicht verschlossen.
Was passiert nun beim Laden einer Batterie?
Beim Laden der Batterie wandern Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort in das Material ein. Die Lithium-Ionen wandern nicht freiwillig, sondern dies wird dadurch erzwungen, dass an die Zelle eine höhere Spannung angelegt wird, als diese im Moment selber besitzt.
Das Wandern der Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode dauert so lange an, bis die Leerlaufspannung der Zelle der angelegten äußeren Spannung entspricht – also ein Gleichgewicht erreicht ist. Wie genau eine Spannungskurve ausschaut, hängt von der Ladegeschwindigkeit, der Art des Ladeverfahrens und insbesondere von der genauen chemischen Zusammensetzung ab. Eine typische Ladekurve einer Lithium-Ionen-Zelle schaut folgendermaßen aus:
Was passiert nun also auf chemischer Ebene?
Die genauen chemischen Reaktionen, die in einer Zelle stattfinden hängen von verschiedenen Faktoren wie der genauen chemischen Zusammensetzung, dem mechanischer Aufbau und der Temperatur ab. Vereinfacht kann man den Ladeprozess aber in 5 Schritte unterteilen:
1. Festkörper Diffusion an der Kathode
Die Kathode kann man sich vorstellen, als Ansammlung vieler einzelner Partikel, die die Lithium-Ionen enthalten. Die Partikel sind von Elektrolyt umgeben, in welchem sich ein Leitsalz befindet, das für den Transport der Ionen zuständig ist. Im entladenen Zustand sind die Lithium-Ionen chemisch stabil in der Kathode eingelagert. Sobald eine Ladespannung angelegt wird, fängt das Lithium an, sich vom Innern des Partikels an dessen äußeren Rand zu bewegen. Diesen Vorgang nennt man Festkörper Diffusion.
2. Grenzschicht-Reaktion Kathode
Dort wo sich Kathodenaktivmaterial und Elektrolyt berühren findet eine chemische Reaktion statt, bei der ein Elektron frei wird und ein Lithium-Ion in den Elektrolyten eintaucht. Der Elektrolyt besteht zu großen Teilen aus Leitsalz, das zwar keine chemische Bindung mit dem Lithium eingeht, sich aber um das Lithium gruppiert und eine Art Schale bildet. Diese Schale hilft dem Lithium, sich durch den Elektrolyt zu bewegen.
3. Elektronen und Lithium-Ionen-Wanderung
Das abgegebene Elektron wandert nun fast ohne Zeitverlust über den Minuspol über den angeschlossenen Stromkreis zur Anode und dort zur Grenzschicht Anodenaktivmaterial - Elektrolyt. Die Anode besteht ähnlich wie die Kathode aus vielen Partikeln, in welche sich Lithium-Ionen einlagern können.
Sobald das Elektron die Anode erreicht, reagiert es dort mit Lithium-Ionen aus dem Leitsalz. Im Elektrolyt sind Lithium-Ionen gelöst, sodass für diesen Vorgang normalerweise genügend Reaktionspartner bereit stehen. Das Lithium, das neu aus der Kathode in den Elektrolyt eintaucht wandert durch den Separator hinüber zur Anodenseite. Der Separator ist Ionen-durchlässig und verhindert, dass Kathode und Anode direkt miteinander in Kontakt kommen.
4. Festkörper Diffusion Anode
Auf der Oberfläche der Anodenpartikel findet eine weitere chemische Reaktion mit dem Lithium-Ion statt. Anschließend wandert das Lithium-Ion in das Innere der Graphit-Partikel und lagert sich dann in die Zwischenschichten des Graphits ein. Diesen Vorgang nennt man interkalieren.
5. Li+ Verarmung und Überschuss
Wenn eine Batterie nur sehr langsam geladen wird und nur geringe Ladeströme fließen, ist das Elektrolyt nahezu gleichmäßig verteilt und sowohl auf der Anodenseite als auch in der Kathodenseite gibt es eine gleichmäßige Verteilung an Lithium-Ionen und Leitsalz.
Anders schaut es dagegen beim Schnellladen aus. Das Lithium wird aus dem Kathodenpartikel sehr schnell in das Elektrolyt entlassen. Das Elektron erreicht fast ohne Verzögerung die Anode und reagiert dort mit dem Lithium aus dem Leitsalz. Die Grenzschichtreaktion läuft auch sehr schnell ab und das Lithium dringt in den Graphitpartikel ein.
Das nachkommende Lithium im Elektrolyt ist nicht so schnell. Die Li-Bewegung dort verläuft nur sehr langsam, sodass Konzentrationsunterschiede im Elektrolyten nicht ausgeglichen werden. Das bedeutet, dass es lokal auf der Kathodenseite zu einem Überschuss an Lithium-Ionen kommt, während auf der Anoden-Seite Lithium-Ionen fehlen.
Dieses Konzentrationsgefälle führt zu einer Überspannung an der Grenzfläche Anode-Elektrolyt. Diese Überspannung hat mehrere negative Auswirkungen:
- Lösungsmittel kann sich zersetzen und sich auf der Anodenoberfläche absetzen oder ausgasen.
- Die wenigen verbliebenen Li-Ionen neigen eher dazu, sich als metallisches Lithium abzusetzen (Li-Plating), was die Bildung von Li-Dendriten begünstigt. Dabei handelt es sich um speerförmige Ablagerungen, die den Separator durchstoßen können und so zu einem Kurzschluss führen kann.
Aus diesem Grund ist Schnellladen im Allgemeinen eher schlecht für Batterien. Je niederer der Ladestrom, desto längere Lebensdauer wird daher erreicht.
Danke an Dr. Manuel Kuder und Dr. Katarina Cicvaric für die Unterstützung bei der Erstellung des Artikels.
