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Lithium-Mangandioxid-Zelle
Die Anode besteht aus metallischem Lithium und die Kathode besteht aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO 2). Die LiMnO 2-Batterien sind die kommerziell am …
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Grundprinzip und Bedeutung
Die Lithium-Mangandioxid-Batterie ist meist eigentlich eine einzelne Lithium-Mangandioxid-Zelle. Sie gehört zu den nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien und damit zu den Primärbatterien, also Batterien, die nach der Entladung normalerweise nicht wieder aufgeladen werden. Ihre Anode besteht aus metallischem Lithium, ihre Kathode aus wärmebehandeltem Mangandioxid (MnO2). Solche LiMnO2-Batterien sind die kommerziell am meisten eingesetzten Lithium-Batterien und werden häufig als Knopfzellen verwendet, zum Beispiel in der Bauform CR2032.
Wichtig ist diese Zellart, weil sie eine hohe Spannung von 3,0 V, gute Lagerfähigkeit und je nach Bauform auch hohe Strombelastbarkeit bietet. Sie wird in sehr kleinen Geräten ebenso eingesetzt wie in Anwendungen, bei denen nach langer Lagerzeit zuverlässig Energie mit hohen Strömen verfügbar sein muss.
Elektrochemische Reaktionen
Beim Entladen laufen an Anode und Kathode gekoppelte Redoxreaktionen ab. Eine Oxidation bedeutet, dass ein Stoff Elektronen abgibt; eine Reduktion bedeutet, dass ein Stoff Elektronen aufnimmt.
An der Anode wird Li(0), also metallisches Lithium, zu Li(I) oxidiert. Dabei entstehen Li+-Ionen und Elektronen:
Li -> Li+ + e-
An der Kathode wird das Mn(IV) im MnO2 zu Mn(III) reduziert. Gleichzeitig werden Li+-Ionen eingelagert, sodass LiMnO2 entsteht:
MnO2 + Li+ + e- -> LiMnO2
Die Gesamtreaktion der Zelle lautet:
Li + MnO2 -> LiMnO2
Damit beruht die Funktion der Zelle darauf, dass Lithium an der Anode Elektronen liefert und diese über den äußeren Stromkreis zur Kathode fließen. Im Inneren der Zelle wandern Lithium-Ionen zur Kathode und werden dort in das Reaktionsprodukt eingebaut.
Aufbau der Zelle
Die Kathoden von Lithium-Mangandioxid-Zellen werden aus einer Paste hergestellt. Diese enthält Mangandioxid-Pulver, einen Binder, zum Beispiel Teflon, und ein Material zur Erhöhung der Leitfähigkeit, zum Beispiel Ruß. Der Binder hält die Kathodenmasse zusammen, während das leitfähige Material den Elektronentransport verbessert.
Es gibt unterschiedliche Bauformen. Bei Wickelzellen dient ein Stück Metallgitter, zum Beispiel Al-Streckmetall, als Träger für die Kathode. Ein Kathodenstreifen wird zusammen mit einem passenden Lithiumstreifen und dazwischenliegenden Separatorstreifen zu einer Rolle gewickelt. Ein Separator ist eine mikroporöse Trennschicht: Er verhindert direkten Kontakt zwischen Anode und Kathode, lässt aber Ionenbewegung zu.
Bei Knopfzellen liegen Kathode und Lithium-Anode entsprechender Größe übereinander und werden durch einen mikroporösen Separator getrennt. Als Elektrolyt dient die Lösung eines Lithiumsalzes, zum Beispiel Lithiumperchlorat (LiClO4), in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Der Elektrolyt ermöglicht den Ionentransport zwischen den Elektroden.
In einer fertigen Wickelzelle befinden sich Wickel und Elektrolyt in einem hermetisch abgeschlossenen Becher aus nickelbeschichtetem Stahl oder Edelstahl. Dieser Becher wird laser- oder plasmaverschweißt, damit die Zelle dicht abgeschlossen ist.
Sicherheit
Die Sicherheit von Lithium-Mangandioxid-Zellen wurde in den letzten Jahren wesentlich verbessert. Dazu gehört der Einsatz eines Shutdown-Separators aus einer Kombination von Polyethylen und Polypropylen. Dieser Separator verschließt sich beim Erhitzen auf über 132 °C. Dadurch soll der Ionentransport unterbrochen und eine gefährliche Reaktion gebremst werden.
Außerdem können Berstscheiben eingebaut sein. Sie öffnen sich bei Temperaturen oberhalb von etwa 140 °C und sollen im Fall innerer Kurzschlüsse verhindern, dass die Zellen explodieren. Zusätzlich kommen in Batterien elektrische Schaltungen zum Einsatz, die äußere Kurzschlüsse und das Wiederaufladen von Zellen verhindern.
Trotz dieser Schutzmaßnahmen kann es beim Erhitzen der Batterien zum thermischen Durchgehen kommen. Damit ist ein sich selbst verstärkender Erwärmungsprozess gemeint, bei dem die Zelle gefährlich heiß werden kann.
Eigenschaften und Baugrößen
Die Nennspannung von Lithium-Mangandioxid-Zellen beträgt 3,0 V. Sie liegt damit niedriger als bei Lithium-Thionylchlorid- und Lithium-Sulfurylchlorid-Zellen, die 3,6 V erreichen. Ein Vorteil von Li-MnO2-Wickelzellen ist jedoch, dass sie wesentlich höhere Ströme liefern können: Für die Baugröße D werden bis zu etwa 5 A Dauerbelastung und 10 A Pulsbelastung genannt.
Ein weiterer Vorteil gegenüber Lithium-Batterien mit flüssiger Kathode, also Lithium-Thionylchlorid-, Lithium-Sulfurylchlorid- und Lithium-Schwefeldioxid-Zellen, ist die wesentlich geringere Passivierung der Lithium-Elektrode. Passivierung bedeutet hier, dass sich eine hemmende Schicht an der Elektrode bildet. Weil diese bei LiMnO2-Zellen geringer ist, werden Spannungseinbrüche zu Beginn der Belastung, sogenannte „voltage delay“, vermieden. Die Zellen eignen sich deshalb auch für extrem kurze Strompulse.
Lithium-Mangandioxid-Zellen haben eine sehr gute Lagerfähigkeit von mindestens 10 Jahren. Als Nachteile gegenüber den genannten Alternativen werden der höhere Preis und der etwas eingeschränktere Temperaturbereich genannt. Für LiMnO2-Zellen liegt er bei −40 °C bis +70 °C, für LiSOCl2-Zellen dagegen bei −55 °C bis +85 °C.
Die Zellen sind in vielen Größen erhältlich. Knopfzellen werden mit Durchmessern zwischen 9,5 und 30 mm angeboten. Bei Wickelzellen gehören zu den verbreiteten Typen unter anderem CR1/3 (11,6 mm × 10,8 mm, etwa 160 mAh), CR2 (15,6 mm × 27,0 mm, etwa 850 mAh), CR-123A (17,0 mm × 34,5 mm, etwa 1500 mAh), C (25,8 mm × 50,0 mm, 4,8 Ah), D (34,0 mm × 60,5 mm, 11,1 Ah) und DD. Die größte kommerziell erhältliche Baugröße ist eine „Fat DD“-Zelle mit 42 mm × 141 mm.
Verwendung und wiederaufladbare Varianten
LiMnO2-Knopfzellen werden vor allem in Uhren, Taschenrechnern und anderen elektronischen Kleingeräten eingesetzt. Kleinere Wickelzellen kommen zum Beispiel in Kameras vor, besonders in den Baugrößen CR-2 und CR-123A. Weitere Anwendungen sind Memory-Backup und Verbrauchszähler.
Größere Wickelzellen eignen sich für Anwendungen, bei denen nach langer Lager- oder Ruhezeit eine netzunabhängige Versorgung mit hohen Strömen benötigt wird. Genannt werden militärische Anwendungen, Defibrillatoren, Notsender und Ortungsgeräte. Die „Fat DD“-Zelle wird unter anderem in der Raumfahrt eingesetzt.
Es gibt auch wiederaufladbare Lithium-Mangandioxid-Batterien. Diese besitzen eine Anode aus einer Lithium-Aluminium-Legierung. Ihre Kapazität beträgt etwa 28 Prozent der Kapazität einer Lithium-Mangandioxid-Primärbatterie gleicher Baugröße. Dieser Batterietyp ist empfindlich gegenüber Tiefentladung. Um vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden, sollte nur etwa ein Zehntel der verfügbaren Kapazität tatsächlich genutzt werden.
