Lithiumbatterie

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Lithiumbatterie ist eine Primärzelle, also eine nicht wieder aufladbare elektrochemische Zelle. Als aktives Material der negativen Elektrode wird eine Folie aus metallischem Lithium verwendet. Sie ist vom Lithium-Ionen-Akkumulator zu unterscheiden, der wieder aufladbar ist, aber im Alltag häufig ebenfalls „Lithiumbatterie“ genannt wird. Die Entwicklung von Lithiumbatterien begann in den 1960er Jahren.

Lithium eignet sich besonders gut für negative Elektroden, weil es ein Standardpotential von etwa −3,05 Volt besitzt. Das ist das niedrigste aller chemischen Elemente und fast aller Redoxpaare. Dadurch sind hohe Zellspannungen möglich. Außerdem hat Lithium eine theoretisch hohe spezifische Kapazität von 3,86 Ah/g.

Aufbau und Funktionsmaterialien

Elementares Lithium ist sehr reaktiv, zum Beispiel mit Wasser oder schon mit feuchter Luft. Deshalb müssen Lithiumbatterien luft- und wasserdicht gebaut sein. In ihnen können nur nichtwässrige, aprotische Elektrolytlösungen oder Festelektrolyte verwendet werden. Ein Elektrolyt ist der Stoff, der den Ionentransport in der Zelle ermöglicht; „aprotisch“ bedeutet, dass das Lösungsmittel keine leicht abspaltbaren Protonen liefert.

Als flüssige Elektrolytlösungen werden zum Beispiel Propylencarbonat, Acetonitril oder Dimethoxyethan verwendet. Damit die Lösung leitfähig wird, setzt man wasserfreie Elektrolytsalze zu, zum Beispiel Lithiumperchlorat LiClO₄. Die positive Elektrode, die Kathode, enthält je nach Batterietyp unterschiedliche Oxidationsmittel. Besonders häufig ist Mangandioxid. Ebenfalls verwendet wird Graphitfluorid, etwa bei der Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie, die zum Beispiel in Herzschrittmachern eingesetzt wird.

Vorteile gegenüber anderen Primärzellen

Lithiumbatterien haben gegenüber Primärzellen mit wässrigen Elektrolyten, zum Beispiel Alkali-Mangan-Batterien oder Zink-Kohle-Batterien, mehrere wichtige Vorteile. Dazu gehören eine höhere Energiedichte und spezifische Energie, also mehr gespeicherte Energie pro Volumen beziehungsweise pro Masse.

Weitere Vorteile sind die hohe Zellspannung, die sehr lange Lagerfähigkeit durch geringe Selbstentladung und der weite Temperaturbereich für Lagerung und Betrieb.

Typen und Anwendungen

Lithiumbatterien gibt es in vielen Varianten. Sie unterscheiden sich vor allem durch Kathode, Elektrolyt und Separator. Ein Separator ist eine Trennschicht zwischen den Elektroden, die Kurzschlüsse verhindert, aber Ionenbewegung ermöglicht. Die LiI₂-Zelle nutzt einen Festelektrolyten; die anderen genannten Typen verwenden flüssige Elektrolyte und Separatoren. Lithiumbatterien werden in verschiedenen Bauformen und Größen hergestellt.

Die Lithium-Thionylchlorid-Batterie LiSOCl₂ hat eine Leerlaufspannung von 3,7 Volt und eine typische Lastspannung von 3,4 Volt. Sie wird zur netzunabhängigen Versorgung von Elektronik genutzt, besonders im militärischen und industriellen Bereich, in der Sicherheitstechnik sowie in elektronischen Energiezählern und Heizkostenverteilern.

Die Lithium-Mangandioxid-Batterie LiMnO₂ hat eine Leerlaufspannung von 3,5…3,0 Volt und eine typische Lastspannung von 2,9 Volt. Sie ist weit verbreitet und wird vor allem in Kameras, Uhren und als Backup-Batterie für Hauptplatinen in Personalcomputern eingesetzt. Als Wickelzelle eignet sie sich für hohe Dauerbelastung und Pulsströme. Gegenüber Lithiumbatterien mit flüssiger Kathode wie LiSO₂, LiSOCl₂ oder LiSO₂Cl₂ hat sie den Vorteil geringerer Passivierung der Anode; dadurch werden Spannungseinbrüche zu Beginn der Belastung, auch „voltage delay“ genannt, vermieden.

Die Lithium-Schwefeldioxid-Batterie LiSO₂ hat 3,0 Volt Leerlaufspannung und 2,7 Volt typische Lastspannung; sie wird meist militärisch genutzt. Die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie Li(CF)ₙ hat 3,2…3,0 Volt Leerlaufspannung und 3,1…2,5 Volt typische Lastspannung. Sie hat etwas höhere Strombelastbarkeit und Kapazität als Lithium-Mangandioxid-Batterien, ist aber teurer und wird deshalb dort eingesetzt, wo Leistung wichtiger ist als Kosten, zum Beispiel im medizinischen Bereich. Die Lithium-Iod-Batterie LiI₂ hat 2,8 Volt Leerlaufspannung und 2,795 Volt typische Lastspannung und dient der Stromversorgung von Herzschrittmachern. Die Lithium-Eisensulfid-Batterie LiFeS₂ hat 1,8 Volt Leerlaufspannung und 1,5 Volt typische Lastspannung. Wegen der Zellspannung von 1,5 V kann sie Alkali-Mangan-Zellen in üblichen Baugrößen wie Mignon (AA, IEC FR6) und Micro (AAA, IEC FR03) direkt ersetzen.

Lithium-Knopfzellen

Lithiumbatterien gibt es auch als Knopfzellen. Die Typenkennzeichnung folgt einem Schema wie „CRDDMM“. Dabei steht „CR“ für eine Lithium-Rundzelle und die chemische Zusammensetzung. „DD“ gibt den Durchmesser in Millimetern an, „MM“ die Höhe in Zehntelmillimetern. „CR2354“ bedeutet zum Beispiel Ø 23 mm und Höhe 5,4 mm. „CR17450“ bedeutet Ø 17 mm und Höhe 45,0 mm. Für Lithium-Knopfzellen haben sich keine herstellereigenen Bezeichnungen verbreitet.

Kleine bauliche Abweichungen sind möglich: Der Typ „CR2354“ ist nach IEC-Standard eine abgewandelte Version des JIS-Standards mit einer kleinen Absatzstufe am Rand des Minuspols. Wenn statt Mangandioxid Graphitfluorid als Kathodenmaterial verwendet wird, lautet die Bezeichnung nicht „CR“, sondern „BR“.

Lithium-Mangandioxid-Knopfzellen vom CR-Typ verwenden fast ausschließlich Dimethoxyethan als Elektrolyt. Diese Substanz ist nach REACH ein SVHC, also eine „Substance of Very High Concern“, und ist in Konzentrationen über 0,1 % in der Knopfzelle enthalten. Hersteller und Vertreiber müssen Kunden diese Information auf Anfrage bereitstellen und seit 5. Januar 2021 solche Produkte in der europäischen SCIP-Datenbank notifizieren. Das gilt auch für Produkte, die solche Knopfzellen enthalten.

Lithium-Knopfzellen sind beim Verschlucken besonders gefährlich, noch mehr als Knopfzellen anderer elektrochemischer Systeme. Gründe sind ihr meist größerer Durchmesser und ihre höhere Spannung. Deshalb werden besondere Schutzmaßnahmen gefordert, zum Beispiel kindergesicherte Verpackungen und ab einem bestimmten Durchmesser das Sicherheitszeichen „Von Kindern fernhalten“, wie es DIN EN IEC 60086-4 für Lithium-Knopfzellen mit 20 mm Durchmesser und darüber verlangt.

Transport und Gefahrgutregeln

Lithiumbatterien gelten grundsätzlich als Gefahrgut der Klasse 9. Für den Transport gibt es UN-Nummern: UN 3090 steht für Lithium-Metall-Batterien, UN 3091 für Lithium-Metall-Batterien in Ausrüstung oder mit Ausrüstung verpackt, UN 3480 für Lithium-Ionen-Batterien und UN 3481 für Lithium-Ionen-Batterien in Ausrüstung oder mit Ausrüstung verpackt.

Für kleine Lithiumbatterien gelten nicht die vollen Gefahrgutvorschriften. Dazu zählen Lithium-Ionen-Zellen mit höchstens 20 Wh Nennenergie, Lithium-Ionen-Batterien mit höchstens 100 Wh Nennenergie, Lithium-Metall-Zellen mit höchstens 1 g Lithium-Gehalt und Lithium-Metall-Batterien mit höchstens 2 g Lithium-Gehalt.

Beim Lufttransport müssen die IATA Dangerous Goods Regulations beachtet werden. Einzelheiten stehen in den Verpackungsvorschriften 965 bis 970. Beim Transport auf Straße und Schiene gelten ADR und RID. Für kleine Lithiumbatterien sind die Regelungen in der Sondervorschrift 188 festgelegt.