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  _ Lithium-Schwefeldioxid-System

Primärsystem mit gelöster Kathode,

Li, organische Elektrolytlösung mit Leitsalz, SO2‘(C)
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Andere Bezeichnungen   Lithium-Schwefeldioxid Zelle, lithium/sulfur dioxide battery, Li/SO2 battery
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Anwendung   Dieses fortgeschrittenen Primärsystem wird vorwiegend für militärische und einige industrielle Anwendungen eingesetzt. Wegen des geringen Gewichtes und des weiten Temperaturbereiches werden Li/SO2-Zellen im militärischen Bereich für tragbare Ausrüstungen wie Radio-Transceiver und Überwachungsgeräte verwendet. Bei anderen Anwendungen steht die lange Lagerfähigkeit und Betriebsbereitschaft im Vordergrund. Hier wären zu nennen: Sonarbojen, Austausch gegen Reserve- und Sekundärbatterien.
Im Verbrauchermarkt konnte sich das System wegen der Auflagen beim Transport und wegen der Sicherheitsbedenken hinsichtlich der gefährlichen Inhaltsstoffen nicht durchsetzen

Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen
(Hilfe Formeln.doc)

Negative Elektrode: 2 Li0 -->
2 Li+ + 2 e-
Positive Elektrode: 2 S4+O2 + 2 Li+ + 2 e- -->
Li2S3+2O4

Summe: 2 Li + 2 SO2 -->
  Li2S2O4 (Litiumdithionit)

Schwefeldioxid dient gleichzeitig als Lösungsmittel und aktive Kathode (gelöste Kathode, Depolarisator, wird elektrokatalytisch an Kohlenstoff umgesetzt). Umgangsprachlich wird hier jedoch der Ableiter, der aus einer Mischung von Ruß und PTFE besteht, die auf Al-Streckmetall gepresst wird, als "Kathode" bezeichnet. Die sogenannte Kathode wird zusammen mit einem Streifen aus Lithiumfolie, einem mikroporösen Polypropylen Separator und einer zweiten Separatorschicht spiralförmig aufgerollt. Diese Rolle wird in einen zylindrischen Behälter geschoben. Nach Anschluss der Elektroden wird die Elektrolytlösung eingefüllt. Anschließend wird die Zelle hermetisch verschlossen. Über ein Sicherheitsventil kann bei Temperaturen über 90°C ein gefährlicher Überdruck entweichen.

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Technische Daten (durchschnittlich)  
o Elektrolyt:
{short description of image} 70 Gew.% SO2 gelöst in Acetonitril + Leitsalze (Litiumbromid)
{short description of image} Leitfähigkeit bei 20°C: 500 mS/cm
{short description of image} Druck bei 20 °C: 3-4 × 105 Pa
o Betriebstemperaturbereich: - 55 bis 70 °C
o Lagertemperaturbereich: -55 bis 70°C
o Zellspannung:
{short description of image} Nominal: 2,8 V
  {short description of image} Offene Spannung: 2,95 V
  {short description of image} Entladespannung 2,9 bis 2,7 V
  {short description of image} Entladeschlussspannung: 2,0 V
o Theoretische spezifische Energie: 1170 Wh/kg
o Praktische spez. Energie: 150 bis 300 Wh/kg
o Energiedichte: 250 bis 470 Wh/l
o Entladeprofil: flach
o Selbstentladung bei 20°C / Monat: ca. 0,16%
o Lagerfähigkeit: >10 Jahre
o Schockbelastbarkeit: gut
o Baugrößen: 0,9 bis 13 Ah


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Besonderheiten   Während der Entladung sinkt der Druck in der Zelle, weil SO2 gebunden wird. Die Entladung ist beendet, wenn kein metallisches Li mehr umgesetzt werden kann. Überschüssiges freies Li kann mit Acetonitril eine heftige exotherme Reaktion auslösen, insbesondere wenn sich Li bei Umpolung der Zelle schwammig auf der Kathode abscheidet.

Aus Sicherheitsgründen enthalten moderne Li/SO2-Zellen Li und SO2 im stöchiometrischen Verhältnis Li : SO2 =1 : 0,9 –1,05, (früher 1,5 : 1). Zusätzlich können die Zellen durch Dioden gegen Umpolung geschützt werden.

Die gute Lagerfähigkeit beruht auf dem schützenden Lithiumdithionit-Film, der sich auf der Li-Oberfläche bildet. Diese Schutzschicht wird mit der Zeit immer dicker. Nach langen Lagerzeiten, insbesondere bei höheren Temperaturen, kann ein sogenannter 'voltage delay' eintreten. Darunter versteht man einen vorübergehenden Spannungsabfall. Bevor die Zelle wieder voll belastbar ist, muss die aufgewachsene Schutzschicht abgebaut werden. In dieser Zeit liegt die Entladespannung unter 2 V. Der 'voltage delay' zeigt sich insbesondere bei hohem Entladestrom und Temperaturen unter –20 °C, weil der Abbau der Schutzschicht bei tiefen Temperaturen langsamer verläuft.

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Vorteile   Extrem geringe Selbstentladung, sehr gutes Lagerverhalten, sehr gute Tieftemperatureigenschaften, sehr große Entladeströme, Einsatz und Lagerung in sehr weitem Temperaturbereich, sehr hohe spezifische Energie und Energiedichte.

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Nachteile   Gefährliche Inhaltsstoffe, Zelle steht unter Druck. 'Voltage delay'.

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Bauarten   Zylindrische Zellen in Wickeltechnik in diversen Größen
Das Beispiel zeigt eine Zelle vom Typ LO 52 SX der Firma Saft:


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iQuellen:   David Linden: Handbook of batteries; 2nd ed., McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-07-037921-1
Hans-Dieter Jaksch: Batterielexikon; Pflaum Vrlg. München; ISBN 3-7905-0650-8

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Adresse   Ansprechpartner:
Dr. Jens Tübke
Tel.: (0721) 4640-343
Fax: (0721) 4640-111
 

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Telefon (0721) 46 40-0
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