Lithium-Eisenphosphat-Batterie

Der Begriff Batterie wird sowohl für nicht wieder aufladbare als auch aufladbare Zellen verwendet. Eine Batterie besteht in der Regel aus mehreren einzelnen Zellen. Dabei besteht eine Zelle aus zwei Elektroden, an denen Redoxreaktionen ablaufen. Primäre und sekundäre Batterien funktionieren als elektrochemische Energiewandler und -speicher. Beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische Energie konvertiert. Dabei können primäre Batterien die elektrochemisch gespeicherte Energie nur einmal abgeben und nicht wieder aufgeladen werden. Sekundärbatterien dagegen können mit Hilfe einer Energiequelle erneut Energie speichern. Bei der Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie handelt es sich folglich um eine sekundäre Batterie.

Die Energiewandlung bzw. -speicherung in einer Batterie, bei der chemische in elektrische Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt, erfolgt mittels Redoxreaktionen. Eine Redoxreaktion besteht immer aus Oxidation und Reduktion. Bei der Oxidation werden Elektronen von dem zu oxidierenden Stoff abgegeben. Das Oxidationsmittel nimmt die Elektronen auf und wird damit reduziert. Oxidations- und Reduktionsprozesse laufen entsprechend der Stromrichtung ab. Dabei wird die Elektrode, an der die Oxidation abläuft, Anode genannt, und die Elektrode, an der die Reduktion erfolgt, Kathode.

In folgender Abbildung wird zunächst die Funktionsweise einer klassischen Lithium-Ionen-Zelle erläutert. Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie basiert auf der Einlagerung von Lithium-Ionen in das Elektrodenmaterial. Dabei dienen die Lithium-Ionen als Ladungsträger im Elektrolyt und als Gegen-Ionen zu dem elektrischen Stromfluss über den Verbraucher. Die negative Elektrode besteht klassischerweise aus Graphit und die positive zumeist aus Übergangsmetalloxiden, wie z.B. Cobalt-Oxid. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Separator. Dieser verhindert den direkten Kontakt zwischen positiver und negativer Elektrode und ermöglicht gleichzeitig die Ionenwanderung. An den Elektroden liegen jeweils Stromableiter, über welche der Stromkreis geschlossen werden und somit Strom fließen kann. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven und lagern sich dort ein. Dabei wandern die Elektronen entsprechend über den Verbraucher von der negativen zur positiven Elektrode. Beim Ladevorgang verläuft dieser Prozess umgekehrt.

In einer Lithium-Kobalt-Elektrode werden lediglich 50-60 % des Lithiums verwendet. Wird mehr verwendet, droht die Schichtstruktur des Aktivmaterials instabil zu werden. Bei der Lithium-Mangan-Elektrode sind es lediglich 50 %, da der Rest fest im Kristall sitzt. Bei der Lithium-Eisenphosphat-Batterie hingegen kann der gesamte Lithiumanteil genutzt werden. Besonders hohe Arbeitsspannungen und damit einhergehende Energiedichten lassen sich bei den Oxiden auf das Redox-Verhalten der Kobalt-, Nickel- und Mangan-Ionen zurückführen. Allerdings sind diese Materialien in der Natur sehr selten zu finden, weshalb sie sehr teuer sind. Eisen ist dahingegen sehr preiswert, da es das zweithäufigste Element auf der Erde ist. So entsteht ein deutlicher Preisvorteil bei der Herstellung von 1 kg Elektrodenmaterial für eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Wird der Preis jedoch auf Kilowattstunden bezogen, so ist der Vorsprung geringer aufgrund der geringeren Energiedichte.

"Untersuchungen an einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie für eine nachhaltige Energieversorgung und Anwendungen auf dem europäischen Markt", Masterarbeit von Anna Fuchs an der FH Münster, 2020.