STRUKTURSTUDIE - page 14

Kapitel 2
2.2.2 LITHIUM-BATTERIEZELLEN
AUFBAU UND CHARAKTERISTIKA
Die Lithium-Batterie besitzt unter anderem aufgrund ihrer verhält-
nismäßig guten Energiedichte (50 bis 250 Wh/kg) und Leistungs-
dichte (bis zu 5.000 W/kg) das höchste Potenzial für den Einsatz
in zukünftigen Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen. Auch
spricht die erreichbare hohe Zyklenfestigkeit (über 5.000 Zyklen bis
80 % DoD) sowie eine hohe Zykleneffizienz (etwa 96 % bei 80 %
DoD) für einen Einsatz der Batterie im Fahrzeug. Allerdings sind
Lithium-Batterien verhältnismäßig teuer. Die Batteriezellen be-
stehen aus 2 Elektroden (negative Anode und positive Kathode),
welche von einem Separator getrennt werden und meist ein Elekt-
rolyt enthalten. Wiederaufladbare Lithium-Batterien lassen sich je
nach gewähltem Elektrodenmaterial sowie Separator und Elektro-
lyt in Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Ion mit flüssigem Elektrolyt
sowie Lithium-Ion-Polymer mit Gelelektrolyt) und Lithium-Metall-
Batterien (Lithium-Metall mit flüssigem Elektrolyt sowie Lithium-
Polymer mit Polymerelektrolyt) unterteilen. Je nach Materialwahl
ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften und Charakteristi-
ken der Zellen [Fraunhofer ISI (2012); VDMA (2014)].
CONSUMER-BEREICH
Im Consumer-Products-Bereich werden Lithium-Ionen-Batterien
gravimetrischkWh/kg
volumetrischkWh/l
GH
2
GH
2
LH
2
Benzin
Diesel
CNG
LPG
Lithium
5
10
15
20
25
30
35
Energiedichte unterschiedlicher Energieträger im Vergleich
(200 bar)
(700 bar)
Wasserstoff
Gas
33,30
0,53
33,30
1,86
33,30
2,36
12,00
8,80
11,90
10,00
13,90
3,38
12,88
6,64
0,15 0,30
Abbildung 5: Energiedichte unterschiedlicher Energieträger im Vergleich.
5
seit Langem eingesetzt. Meist finden hierbei eine Lithium-Kobalt-
dioxid-(LiCoO
2
-)Kathode, eine Lithium-Grafit-Anode, ein organi-
scher Elektrolyt und ein Polyethylen-Separator Verwendung. Ja-
pan, Korea und China führen diesenMarkt hinsichtlich Technologie
und Produktion an. Bei einem Einsatz dieser Consumer-Products-
Zellen im Automobil erweisen sich allerdings Eigenschaftsaus-
prägungen hinsichtlich Sicherheit, Lebensdauer und Alterung der
Zellen als problematisch, die aufgrund kurzer Innovationszyklen
oder geringer Belastungen im Consumer-Bereich nicht zum Tra-
gen kommen. Dagegen bieten Consumer-Zellen vergleichsweise
hohe Energiedichten (ca. 250 Wh/kg) zu moderateren Preisen, da
die Technologie und Produktion schon einen Massenmarkt bedient
(z.B. für Laptops).
AUTOMOBILE ANWENDUNGEN
Für das Elektrofahrzeug sind nicht nur neue Zellchemien, son-
dern auch neue Zelltypen gefragt. Im Fahrzeugbereich werden in
der Regel prismatische Zellen oder Pouchzellen („Coffee-Bags”)
verwendet, Rundzellen kommen seltener zum Einsatz. Der Trend
geht hier zu größeren Zellen, die für die Anwendung in Batterie-
systemen, die aus mehreren Zellen bestehen, zusammengefasst
werden. Die Energiedichte liegt auf Zellebene heute bei über 150
Wh/kg, auf Systemebene bei etwa 120 Wh/kg [Korthauer (2013)].
Aus dem in Abbildung 4 erkennbaren Zielkonflikt zwischen Leis-
5
Vgl. Hycenta (2005); Hydrox (2014); VDMA (2014).
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