Picture of battery pack assembly line

BLOG

BATTERIEN ERKLÄRT – VON ZELLFORMATEN BIS ZUR CHEMIE

Batterien sind hochkomplexe elektrochemische Systeme mit unterschiedlichen Zelltypen und chemischen Eigenschaften. Besondere Aufmerksamkeit verdienen auch die Prozesse im Inneren der Batterie.

  • Rundzelle, Prismatische Zelle und Pouch-Zelle sind die am häufigsten verwendeten Zellformate
  • Es gibt erhebliche Unterschiede in der Zellchemie an der Kathode, während Graphit in den meisten Fällen an der Anode zum Einsatz kommt
  • Lithium-Ionen (Li-Ion) diffundieren von der Kathode zur Anode und umgekehrt zum Laden bzw. Entladen der Batterie

Mit zunehmender Elektrifizierung nimmt die Bedeutung von Batterien stetig zu. Aufgrund der unzähligen Einsatzmöglichkeiten und der unterschiedlichen Anforderungen an Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute viele verschiedene Batterietypen auf dem Markt. Eine Li-Ion Batterie als Ganzes ist in der Regel ein Batteriepack, welches in Module unterteilt ist. Das Batteriemodul stellt wiederum eine serielle und/oder parallele Verbindung mehrerer Zellen dar. Die Magie der Energiespeicherung geschieht in diesen Zellen, daher werden wir uns diese genauer anschauen. Die Lithium-Ionen (Li-Ion) Batteriezellen werden in Bezug auf Typen, Materialien, Zusammensetzung und Prozesse näher erläutert.

Zylindrisch, prismatisch und Pouch sind dominierende Zellformate

Li-Ion Batterien funktionieren nach dem Prinzip der galvanischen Zelle, das besagt, dass die Zellen chemische Energie speichern und elektrische Energie freigeben können. Eine galvanische Zelle besteht aus zwei miteinander verbundenen Behältern (Elektroden), dem Minuspol (Anode) und dem Pluspol (Kathode), die in einen Elektrolyten getaucht sind. Im Falle der Li-Ionen Batterie, diffundieren Ionen durch den ionenleitenden Elektrolyten aufgrund der Ladungserhaltung. Kleine, elektrisch negativ geladene Teilchen (Elektronen) bewegen sich im äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode der Batterie und können elektrische Arbeit verrichten. Derzeit gibt es drei dominante Zellformate für Li-Ion Batterien: zylindrisch, prismatisch und Pouch.

Li-Ion Cell Formats

Zylindrische Zellen bestehen aus einer soliden, metallischen Außenhülle. Aktive Schichten werden dabei um die innere Elektrode gewickelt. Die Batteriepole dieses Formats sind gegenüberliegend angeordnet. Elektroden und Separatoren werden zusammen aufgewickelt und erhalten so ihre zylindrische Form. Die zylindrische Zelle hat die zweithöchste Energiedichte nach der prismatischen Zelle. Dies ist auf die hohe Packungsdichte zurückzuführen, da auf kleinstem Bauraum mehr aktives Material untergebracht werden kann. Darüber hinaus ist die Herstellung der zylindrischen Zelle kostengünstig. Der Nachteil dieses Zellformats ist jedoch der komplizierte Fertigungsprozess und das Kühlsystem, sowie der während des Betriebs erforderliche Überwachungsaufwand. Tesla verwendet zylindrische Zellen in all seinen Elektrofahrzeugen.

Prismatische Zellen bestehen aus einem festen, metallischen Gehäuse in kubischer Form. Elektroden und Separatoren sind schichtweise aufeinandergestapelt. Die Batteriepole sind typischerweise auf der flachen Oberseite an den Außenrändern angeordnet. Die bauformspezifische, große Oberfläche ermöglicht eine gute Wärmeableitung und die Zellen können platzsparend gestapelt werden. Das prismatische Format bietet einen einfachen Montagevorgang, aber einen komplizierten Konstruktions- und Produktionsprozess, der wiederum die Kosten für den Verbraucher erhöht. BMW verwendet prismatische Zellen in seinem ersten vollelektrischen Fahrzeug, dem i3.

Pouch-Zellen bestehen aus gefalteten aktiven Schichten, die von einer flexiblen meist aluminiumbasierten Außenfolie umschlossen sind. Um einen gleichmäßigen Druck und ein gleichmäßiges Alterungsverhalten zu erzeugen, werden Pouch-Zellen im Modul gerahmt und gespannt. Die Batteriepole werden in der Regel als dünne, metallische Stromabnehmer nach außen geführt. Pouch-Zellen können in fast jeder Größe hergestellt werden, da kein massives Außengehäuse gegeben ist. Durch diese äußere Form besitzen sie eine gute Wärmeleitfähigkeit, sind aber anfällig für Schäden. Pouch-Zellen waren bei der Einführung des i-Pace die erste Wahl für Jaguar.

Lithium-Ionen wandern von der Kathode zur Anode und umgekehrt zum Laden bzw. Entladen der Batterie

Die zentralen Bestandteile einer Li-Ion Batterie sind die beiden Elektroden, der Elektrolyt und der Separator. Der Separator trennt räumlich und elektrisch die Anode von der Kathode ab, ist aber für Lithium-Ionen durchlässig. Der Elektrolyt, das Medium für den Ionenaustausch, ist eine Flüssigkeit, die während des Ladens/Entladens Ionen von einer Elektrode zur anderen bewegen kann.

Wird eine Batterie entladen, wandern die Lithium Ionen von der Anode in den Elektrolyten durch den Separator zur Kathode, wo sie eingelagert werden. Gleichzeitig nimmt die Kathode, zum Ladungsausgleich, für jedes eingelagerte Lithium-Ion (Li+) ein Elektron auf. Die Elektronen, welche die Kathode für die Einlagerung der Lithium-Ionen benötigt, stammen von der Anode, mit der Sie durch einen externen Kreislauf verbunden ist. Durch die entzogenen Elektronen wird das Anodenmaterial oxidiert und je nach Anzahl der fehlenden Elektronen werden Lithium-Ionen in den Elektrolyten freigesetzt.

Kathoden- und Anodenmaterialien bestimmen die Leistung von Batterien

Kein Batterietyp ist so vielfältig wie Li-Ion Batterien. Sie können mit dutzenden Elektrodenmaterialien hergestellt werden – alle mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Li-Ion Kathoden bestehen aus einem Stromabnehmer (meist Aluminium-Folien), auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist, in dem die Li-Ionen gespeichert werden können. Lithium Cobalt Oxide (LCO) stellt ein mögliches Kathodenmaterial dar. Sie weisen eine hohe Energiedichte auf, sind jedoch im Vergleich zu anderen Materialien nicht sehr widerstandsfähig gegenüber extremen Temperaturen. Die Brandgefahr und begrenzte Belastbarkeit sind eine der Nachteile des LCO-Materials. Lithium Nickel Cobalt Oxide (NMC) ist das erfolgreichste Lithium-Ionen System. Es bietet einen Kompromiss aus guter, allgemeiner elektrochemischer Leistungsfähigkeit, hohen Energiedichten und Kosten. Darüber hinaus wird Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA) als Kathodenmaterial verwendet. Es bietet, ähnlich wie NMC, eine hohe Energiedichte und Lebensdauer, hat allerdings Nachteile in Bezug auf Kosten und Sicherheit. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) besitzt eine bessere thermische und chemische Stabilität. Aufgrund dessen sind LFP-basierte Zellen sehr sichere Batterien, feuerfest und widerstandsfähiger, mit einer längeren Lebensdauer als andere Materialien. Der Nachteil dieses Materials ist jedoch die niedrige Nennspannung und somit die niedrige Energiedichte.

Li-Ion Anoden bestehen aus einem Stromabnehmer (meist Kupfer-Folien), auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist, in dem Ionen gespeichert werden. Graphit (C) als Anoden Material stellt ein niedriges Elektrodenpotential dar, und dehnt sich nur gering beim Aufladen auf. Lithium-Titanat Oxid (LTO) besitzen eine höhere Entladerate und Leistung bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen, als Graphit. Diese Elektroden sind sicher wegen ihres hohen Potentials und Toleranz gegen Überladung. Dadurch haben sie eine hohe Lebensdauer. Nachteil ist jedoch die niedrige Energiedichte und die hohen Kosten im Vergleich zur Graphit-Anode. Lithium-Metall (Li) ein weiteres mögliches Anodenmaterial besitzt eine sehr hohe Energiedichte, ist gleichzeitig, aber auch sehr teuer. Darüber hinaus verursacht es eine schnellere Degradierung.

TWAICE ist auf alle Li-Ionen-Zellen und Batterietypen anwendbar

Das TWAICE Digital Twin Konzept, basierend auf prädiktiver analytischer Software, verbessert Entwicklung und Einsatz aller Batterietypen. Eine anfängliche Laborparametrisierung und unsere große Batterie-Modellbibliothek bilden die Grundlage für den digitalen Zwilling. Während des Betriebs werden Standardmessdaten aus dem Batteriemanagementsystem d.h. Strom, Spannung und Temperatur, verwendet, um den neuen Batteriestatus zu erstellen d.h. ein digitales Spiegelbild der Batterie zu erzeugen um die Bestimmung, Vorhersage, Simulation und Optimierung der Batterieparameter und der Alterung zu ermöglichen.

  • Über TWAICE

    TWAICE unterstützt Unternehmen industrieübergreifend mit prädiktiver Batterie-Analytiksoftware basierend auf digitalen Zwillingen. Wir befähigen unsere Kunden, Batteriesysteme effizienter und nachhaltiger zu entwickeln und einzusetzen sowie deren Zuverlässigkeit und Haltbarkeit zu verbessern. Präzise Vorhersagen des Batteriezustands und der Alterung optimieren die Entwicklung und den Betrieb von Batterien signifikant. Die genaue Bestimmung des Batteriezustands ermöglicht darüber hinaus die Zertifizierung der Batterie für die Wiederverwendung in anderen Anwendungen.
    TWAICE wurde 2018 nach über vier Jahren Forschung als Spin-Off der Technischen Universität München gegründet und hat seinen Hauptsitz in München. Kunden kommen aus verschiedensten Branchen, von Elektrowerkzeugen über Autos bis hin zu stationären Energiespeichern.
    www.twaice.com