Margret Wohlfahrt-Mehrens

Batteriegetriebene elektronische Geräte sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Mobiltelefone, PC´s, Notebooks, Unterhaltungselektronik, elektronisches Spielzeug, schnurlose Werkzeuge, Taschenrechner, Uhren, elektrische Haushaltsgeräte und elektrische Hygieneprodukte (Zahnbürsten, Rasierapparate) finden sich heute in fast jedem Haushalt. Jährlich werden in Industrieländern pro Kopf etwa 10 bis 20 Batterien verbraucht, Tendenz steigend. Dabei werden die Anforderungen an die kleinen Energiespeicher mit jeder Produktgeneration von Handys, Computern oder Digitalkameras höher.
Dieser Beitrag soll einen Überblick über die verschiedenen Batteriesysteme und deren Einsatzmöglichkeiten geben.

Grundsätzlich lassen sich die elektrochemischen Speicher in primäre und wieder aufladbare Systeme unterscheiden. Primärzellen sind Zellen, bei denen eine oder beide Elektrodenreaktionen irreversibel sind und die nicht wieder aufgeladen werden können. Kann die Zelle elektrisch wieder geladen werden, so handelt es sich um eine wieder aufladbare Batterie, die auch als Akkumulator oder Sekundärzelle bezeichnet wird.

Bei den Primärbatterien unterscheidet man zwischen Batterien mit wässrigem Elektrolyt und Lithiumbatterien. Die Tabelle gibt eine Übersicht über die gängigsten Primärsysteme.
Systeme mit wässrigem Elektrolyten sind dadurch gekennzeichnet, dass Sie Zellspannungen von deutlich unter 2.0 Volt (V) aufweisen, da es sonst zur Zersetzung des Elektrolyten kommen würde. Es gibt zahlreiche Systeme, die in der Regel auf Zink (Zn), Magnesium (Mg) oder Cadmium (Cd) für die negative Elektrode und Braunstein (MnO₂), Quecksilberoxid, Silberoxid oder Sauerstoff für die positive Elektrode basieren. Als Elektrolyt wird in den meisten Fällen Kalilauge eingesetzt.
Da Primärbatterien häufig in Anwendungen eingesetzt werden, die nur gelegentlich genutzt werden oder nur einen kleinen Strombedarf haben (Taschenlampen, CD-Player, Uhren, Back-up-Systeme), sind die Systeme so ausgelegt, dass die Selbstentladung möglichst gering ist. Die Selbstentladung wird hauptsächlich durch die Elektrolytzersetzung bestimmt; daher wird die Oberfläche der Elektroden begrenzt. Dies führt dazu, dass Primärsysteme nur für kleine bis mittlere Leistungen geeignet sind.
Zink-Kohle und Alkali-Mangan sind die wichtigsten Vertreter dieser Klasse und machen etwa 1/3 des Weltmarktes an allen Batterien und Akkumulatoren aus. Sie werden hauptsächlich als Konsumerbatterien eingesetzt. Die Zink-Kohle-Batterie ist die älteste Batterietechnologie überhaupt. Sie wurde bereits 1866 erfunden und wird nach ihrem Erfinder auch häufig als Leclanche Element bezeichnet. Inzwischen wird sie wegen ihrer geringen spezifischen Energie weitgehend durch die leistungsfähigeren Alkali-Manganzellen ersetzt.
Lithium-Systeme haben eine deutlich höhere Energiedichte als die wässrigen Systeme. Die spezifische Energie (gewichts- wie volumenbezogen) liegt auch noch höher als bei Sekundärsystemen. Es gibt eine große Auswahl verschiedener Elektrodenkombinationen. Lithiumbatterien zeichnen sich durch eine sehr geringe Selbstentladung und sehr lange Betriebsdauer (bis über 10 Jahre) bei kleinen Strömen aus. Eingesetzt werden sie vor allem in Uhren und als Back-up-Systeme.

Primärbatterien sind deutlich preiswerter als Akkumulatoren, daher stellt sich dem Verbraucher die Frage, warum er diese nicht einfach wieder aufladen kann. Hierfür gibt es hauptsächlich drei Gründe:

1. Bei der Entladung gehen die Aktivmaterialien in Lösung. Dies führt zu einer deutlichen Änderung der Elektrodengeometrie. Bei der Ladung kommt es zu Dendritenbildung, was zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden führen kann. Beispiele hierfür sind die Zink/Kohle, Alkali/Mangan und die primären Lithiumsysteme
2. Bei der Ladung kommt es zu Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten. Bei wässrigen Systemen findet beispielsweise eine parasitäre Wasserstoffentwicklung statt, die zu einem Druckaufbau in der Zelle und damit zur Zerstörung der Zelle führt.
3. Es kommt zu einer irreversiblen Zerstörung des Kristallgitters, oder es bilden sich sehr schlecht elektronisch leitfähige Produkte. Dies führt zu Kontaktverlusten in der Elektrode, die dann nicht mehr aufgeladen werden kann.

Wir möchten jederzeit mobil und erreichbar sein. Daher kommen für moderne Telekommunikation, Computer und andere hochwertige Elektronik Primärbatterien nicht in Frage. Wiederaufladbare Batterien mit möglichst hoher spezifischer Energie und Energiedichte sind hier gefordert. Gewicht und Baugröße sind von entscheidender Bedeutung. So macht die Batterie zur Zeit etwa 1/3 des Gesamtgewichts eines Notebooks aus. Es gibt zahlreiche wiederaufladbare Batteriesysteme. Die drei wichtigsten Systeme für Konsumeranwendungen werden kurz dargestellt.

In beiden Systemen wird eine Nickelhydroxidelektrode als Positive und Kaliumhydroxid als Elektrolyt eingesetzt. Die Lade/Entladereaktionen sind wie folgt:

System	U/V	Wh/kg (theoret.)	Zellreaktion links: geladener Zustand, rechts entladener Zustand (vereinfachte Darstellung)
Ni/Cd	1,2	209	Positive: 2 NiOOH + 2 H2O + 2 e- ↔ 2 Ni(OH)2 + 2 OH- Negative: Cd + 2 OH- ↔ Cd(OH)2 + 2 e- Zelle: 2 NiOOH + Cd + 2 H2O ↔ 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Ni/MH	1,3	213	Positive: NiOOH + H2O + e- ↔ Ni(OH)2 + OH- Negative: MH + OH- ↔ M + H2O + e- Zelle: NiOOH + MH ↔ Ni(OH)2 + M

Beide Systeme sind in unterschiedlichen Bauformen verfügbar. Im Gerätebatteriebereich werden hauptsächlich Wickelzellen in gasdichter Ausführung eingesetzt. Aufgrund des hohen Potentials des NiCd und NiMH Akkumulators kommt es am Ende der Ladung zur Zersetzung des alkalischen Elektrolyten, wobei Sauerstoff an der positiven Elektrode und Wasserstoff an der negativen Elektrode gebildet wird. Durch Überdimensionierung der negativen Elektrode wird eine Wasserstoffentwicklung verhindert. Eine Reihe von konstruktiven Maßnahmen sorgt dafür, dass der an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff schnell an die negative Elektrode transportiert wird und dort reduziert wird. Dieser Sauerstoffkreislauf ermöglicht den Aufbau geschlossener, gasdichter Zellen.
Nickel/Cadmium-Batterien sind preiswert in der Herstellung, robust, können für hohe Leistungen ausgelegt werden und haben eine hohe Zyklenlebensdauer. Nachteilig sind die hohe Selbstentladung von 20 bis 30% pro Monat und die im Vergleich zu Nickel/Metallhydrid und Lithiumsystemen niedrige Energiedichte. Eine Besonderheit ist der sog. Memory-Effekt. Bei häufiger Teilentladung tritt ein Kapazitätsverlust auf, der sich nur durch eine vollständige Entladung der Zelle wieder rückgängig machen lässt. Dies schränkt den Betrieb von Nickel/Cadmium-Zellen für viele portable Anwendungen ein.
Nickel/Metallhydrid-Zellen besitzen eine deutlich höhere spez. Energie und Energiedichte im Vergleich zu Nickel/Cadmium. Außerdem haben sie keinen Memory-Effekt Nickel/Metallhydridzellen haben aufgrund ihrer höheren Energiedichte und Umweltbedenklichkeit von Cadmium Nickel/Cadmium-Zellen weitgehend in Konsumeranwendungen verdrängt. Wegen der hohen erzielbaren Leistung werden Nickel/Cadmium hauptsächlich noch im Bereich Powertools eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien weisen derzeit die höchsten Energiedichten aller verfügbaren sekundären Batteriesysteme auf. Lithium-Ionen-Batterien haben eine Nennspannung von 3.6 V, dreimal so groß wie die eines Nickel/Metallhydrid-Akkumulators, eine spezifische Energie von 100 bis 150 Wh/kg und eine Energiedichte von 200-300 Wh/l. Es gibt eine Reihe möglicher Materialkombinationen. Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien wurde bereits in der Aktuellen Wochenschau (Kalenderwoche 18) beschrieben.
Eine typische Zelle nach dem Stand der Technik besteht aus einer Graphitelektrode als Negativer und einer Lithiumkobaltoxidelektrode als Positiver. Als Elektrolyt wird LiPF₆ in einer Mischung organischer Lösungsmittel eingesetzt. Die Zellreaktion lässt sich wie folgt beschreiben:

2 LiCO₂ + 6 C ↔ 2 Li_0,5 CO₂ + LiC₆     U0 = 4,2 V

Schichtstruktur		Spinell	Olivin
Kobalt, LiCoO2	Nickel/Kobalt/Mangan LiNi1-xCOxO2 LiNi0,5-xMn0,5-xCO2xO2	Mangan LiMn2O4	Eisen LiFePO4
UN 3,6V 150-160 Ah/kg	UN 3,4-3,7 160-190 Ah/kg	UN 3,8V 110-120 Ah/kg	UN 3,6V 140-160 Ah/kg
Belastbar bis 1°C Überladeempfindlich Hohe Energiedichte Einsatz in portablen Geräten	Hohe Kapazität und hohe Leistung Überladeempfindlich Geringe thermische Stabilität im geladenen Zustand Einsatz in Power Tools	Hohe Leistung und schnelle Ladung Geringere Energiedichte Höhere Stabilität Einsatz in Power Tools	Neues Material Hohe Leistung, höhere Ladeleistung Hohe Sicherheit Gute Lebensdauer Einsatz in Power Tools

Der Rückruf von mehr als 6 Millionen Lithium-Ionen-Akku-Packs von Laptops verschiedener Hersteller sorgte in den letzten Wochen für Schlagzeilen. Grund waren durch Überhitzung ausgelöste Brände einiger Notebooks. Dies wirft die Frage auf: Wie sicher sind Lithium-Ionen-Batterien eigentlich?

Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium und sind daher intrinsich deutlich sicherer als Lithiummetallsysteme. Trotzdem gibt es eine Reihe potentieller Sicherheitsrisiken, die vor allem bei Missbrauch der Zelle ein Gefahrenpotential darstellen.
Steigt die Temperatur der Zelle auf über 150°C an, kommt es zu einem thermischen Durchgehen. Dabei werden sowohl das Kathodenmaterial als auch die Schutzschicht auf der Anode thermisch zersetzt und es kommt zu heftigen Reaktionen mit dem Elektrolyten. Dabei können brennende Gase austreten. In einigen Fällen kann es zu explosionsartigen Reaktionen kommen.
Temperatur und Zersetzungsreaktion hängen von der Art der verwendeten Aktivmaterialien ab. Lithiumkobaltoxide und Nickel basierte Schichtoxide zersetzen sich bei deutlich niedrigeren Temperaturen als z.B. Lithiummanganspinell oder Lithiumeisenphosphat.
Lithium-Ionen-Batterien sind sehr empfindlich gegen Überladung, da diese mit einer Temperaturerhöhung in der Zelle und zunehmenden Instabilität der Aktivmaterialien verbunden ist. Eine weitere potentielle Gefahr ist die Ladung bei sehr tiefen Temperaturen, da sich dann Lithiumdendriten auf der Anode bilden können.
Um die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, werden von den Herstellern verschiedene Schutzmaßnahmen getroffen. Die Menge der Aktivmaterialien wird begrenzt und es werden Separatoren mit Shut-down Mechanismen eingesetzt. Sicherheitsventile verhindern einen zu hohen Druckanstieg im Innern der Zelle und PTC-Widerstände schützen vor Überhitzung und Überladung. Unter normalen Umständen schaltet die Elektronik ab, wenn ein Kurzschluss oder eine Überladung erfolgt. Diese Schutzmechanismen wirken aber nur auf Einflüsse von außen.
Verschiedene Informationsquellen machen einen Produktionsfehler für die Unfälle verantwortlich. Es besteht die Möglichkeit, dass kleine Metallflitter bei der Produktion entstehen und in Kontakt mit den Elektroden der Zelle kommen. Diese Metallteilchen verursachen interne Kurzschlüsse in der Zelle. Bei kleinen Kurzschlüssen führt dies nur zu einer Erhöhung der Selbstentladung. In seltenen Fällen kommt es zu einem größeren Kurzschluss und einem thermischen Durchgehen der Zelle mit Flammenentwicklung.
Eine Erhöhung der Energiedichte verstärkt die Sicherheitsprobleme, da die Verwendung dünnerer Separatoren und die höhere Packungsdichte der Elektroden die Gefahr von Kurzschlüssen erhöht.
Angesichts der hohen Stückzahlen von Lithium-Ionen-Batterien (ca. 2. Milliarden Zellen pro Jahr) ist die Zahl der Unfälle bisher sehr gering. Trotzdem ist die Erhöhung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ein sehr wichtiges Thema, dem auch in Zukunft sehr viel Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. Die Entwicklung intrinsisch sicherer Materialien wie z.B. sicherere Kathodenmaterialien, nicht brennbare Elektrolyte, neue Separatoren und flammhemmenden Additiven muss zügig vorangetrieben werden.