Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Abstract

Die ersten sekundären Lithium-Zellen hatten eine metallische Lithium-Folie als Anode (negative Elektrode) [1]. Reines Lithium besitzt eine sehr große spezifische Kapazität (3860 mAh/g) sowie ein sehr negatives Potential, das in einer sehr hohen Zellspannung resul-tiert. Die Zyklisierungseffizienz sinkt jedoch während der mehrmaligen Lithium-Auflösung beim Entladen sowie der Li-Ablage beim Ladevorgang derart drastisch, so dass die 2-3-fache Menge an Lithium eingesetzt werden muss. Zusätzlich scheidet sich Lithium zum Teil sowohl schaumförmig als auch als Dendriten ab, die wiederum durch den Separator wachsen können [2, 3]. Diese Dendriten können lokale Kurzschlüsse verursachen und folglich eine vollstän-dige Selbstentladung der Zelle oder im schlimmsten Fall eine innere thermische Kettenre-aktion bis hin zum Brand oder eine Explosion auslösen. Heutzutage werden lediglich kleine Zellen, insbesondere Knopfzellen, mit niedrigeren Anforderungen an Zyklenstabilität und Schnellladefähigkeit mit Lithium-Metallanoden in Serie produziert. In jüngster Vergangen-heit werden allerdings erneut Versuche mit hochkapazitiven Zellen unter Verwendung spezi-eller Separatoren, wie z. B. bei Bolloré [4] getestet. Die Aspekte Sicherheit und Zyklenstabilität dieser LMP-Zellen (Lithium Metal Polymer) stehen weiterhin im Vordergrund. Um sichere Zellen mit guter Zyklisierungseffizienz herzustellen, wird das metallische Lithium durch ein sogenanntes Lithium-Interkalationsmaterial ersetzt [5–8]. In der Regel ist der Interkalationprozess, z. B. in Kohlenstoff, nahezu verlustfrei reversibel und es tritt keine Lithium-Plattierung auf [9, 10]. Als Anodenmaterial in der Lithium-Ionen-Zelle des klassischen 3C-Marktes (portable Konsumer-anwendungen) ist Graphit das Material der Wahl. Für neue Anwendungen mit höherer Leistungs-und Energiedichte sowie verbesser-ter Sicherheit treten zunehmend amorphe Kohlenstoffe (Hard Carbons und Soft Carbons) in den Fokus. Diese weisen teilweise eine bessere Strombelastbarkeit auf und sind stabiler sowie sicherer in Verbindung mit neuartigen Elektrolyten und Kathodenmaterialien. Eine deutliche Steigerung der Lithiumspeicherkapazität über jene von Graphit hinaus, ist durch die Verwendung von Metallen und Legierungen (intermetallischen Verbindun-gen) möglich, die reversibel mit Lithium reagieren können. Trotz intensiver Anstrengungen haben metallbasierte Systeme bislang keinen Eingang in die Großserie gefunden. Es besteht somit ein erheblicher Forschungsbedarf. Erfolgskritisch ist zurzeit die noch mangelhafte Zyk-lenstabilität. Eine Verbesserung ist hier durch die Mischung mit Kohlenstoffen (z. B. C/Si-Komposite, C/Sn-Komposite) möglich. Für die Verbesserung der Zyklenstabilität und für besonders hohe Leistungs-und Sicherheitsanforderungen ist Lithiumtitanat sowie Titanoxid Abb. 5.1 Spezifische Speicherkapazität und Potential gegenüber Li/Li + der wichtigsten