Lithium-Ionen-Batterien: Stand der Technik in Performanz und Sicherheit

Autoren

Prof. Dr. M. Winter, Forschungszentrum Jülich Helmholtz-Institut, Münster; A. Friesen MSc, Dr. F. M. Schappacher, Universität Münster MEET Batterieforschungszentrum

Jahr

2017

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 802

Zusammenfassung

Lithium-Ionen-Zellen sind etablierte elektrochemische Energiespeicher mit hoher Effizienz und hoher Leistungs- und Energiedichte. Die typische Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer kohlenstoffbasierten Anode und einem Übergangsmetall-Schichtoxid als Kathode. Der Schlüssel zu höheren Kapazitäten und Energiedichten und höherer Leistung liegt sowohl im Bereich optimierter und neuer Zellchemien als auch im Design von Elektrode, Batteriezelle, -modul und nicht zuletzt dem Batteriesystem. Die Energiedichte wird ausschließlich auf der Materialebene bestimmt. Die Kombination aus Anoden mit hoher Kapazität und niedrigem Potential und Kathoden mit hoher Kapazität und hohem Potential bestimmt die Arbeitsspannung und die Kapazität der Zelle. Daraus ergibt sich der Energieinhalt. Die Leistungsdichte der Lithium-Ionen-Zelle wird hauptsächlich durch das Design der Elektroden bestimmt. Die Elektrode kann hinsichtlich des Aufbaus auf hohe Leistungsdichten oder hohe Energiedichten ausgelegt werden. Die Leistungsdichte kann auf Kosten der Energiedichte gesteigert werden. Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien spielt eine wichtige Rolle in der Akzeptanz der Technologie in der breiten Öffentlichkeit. Die kontinuierliche Steigerung der Energiedichte führt jedoch zu einer Verringerung der thermischen Stabilität. Der Schlüssel für eine Erhöhung der Sicherheit liegt sowohl in aktiven Maßnahmen auf Systemebene (z.B. BMS, Zell-, Modul- und Batteriedesign) als auch passiven Maßnahmen, die auf Materialebene durch verbesserte thermische Eigenschaften der Batteriematerialien ansetzen.