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  _ Li-Polymer- System
(Sekundärsystem)

LiCx, Leitfähiges Polymer oder Gel LiMOx

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Andere Bezeichnungen   Li-Polymer-Batterie, Solid-state lithium battery

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Anwendung   Die ursprünglich vorgesehene Entwicklung als Traktionsbatterie ist bisher an der geringen Elektrolytleitfähigkeit gescheitert. Seit dem Jahr 2000 erfolgt der Einsatz der Li-Polymer-Batterie in tragbaren Computern und Mobiltelefonen. Da die Zellen allgemein als Folienbatterien gefertigt werden, erhält man durch den günstigeren Formfaktor gegenüber Rundzellen einen Vorteil im Bereich der tragbaren Geräte. Die Entwicklung konzentriert sich auf die Verbesserung der Leitfähigkeit und Stabilität des Polymerelektrolyten.

Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen:
(Hilfe Formeln)

Lithium bildet mit bestimmten Graphitsorten sogenannte Interkalationsverbindungen, also Einlagerungen von Ionen in das Schichtgitter des Graphitkristalls, bei denen das Ion formal entladen wird, aber keine chemische Bindung eingeht. Auch in der positiven Elektrode gibt es Einlagerungsverbindungen von Lithium in bestimmten Oxiden mit Schichtstrukturen beispielsweise Manganoxiden. Die positive Elektrode besteht aus einem Metalloxid (MOx‘), in dem eine bestimmte Anzahl Li-Ionen zwischen den Ebenen des Kristallgitters reversibel eingelagert werden kann (LiyMOx). In der Praxis wird vorwiegend LiCoO2, teilweise LiNixCoyO2 und in geringem Maße LiMn2O4 verwendet. LiNiO2 wurde versuchsweise ebenfalls eingesetzt, erwies sich aber insbesondere bei erhöhten Temperaturen als nicht ausreichend stabil. Die Substitution von Cobalt durch Nickel ergibt einmal einen günstigeren Preis (Cobalt ist ca. 10 mal teuerer als Nickel), zum anderen wird die realisierbare Kapazität pro Gramm Kathodenmaterial höher: LiCoO2 = 140 bis 170 mAh/g; LiNi0,8Co0,2O2 = 180 bis 200 mAh/g.

Die Lade-/ Entladegleichung ist:

    Entladen -->
Laden ¬
 
Negative Elektrode: LiyCn ¬-->
Cn + Li+ + e-
Positive Elektrode: Li1-yMOx + yLi+ + ye- ¬-->
LiMOx
Summe: Li1-yMOx + LiyCn ¬-->
LiMOx + Cn

Das System ist identisch mit der Li-Ion-Batterie, mit Ausnahme des Elektrolyten. Verwendet werden Gelelektrolyte oder polymere Festelektrolyte. Der Polymerelektrolyt dient außer zum Ionentransport auch als Separator (elektrische Trennung positive und negative Elektrode) und als flexibles Verbundmaterial, welches das System ohne äußeren Druck zusammenhält. Als Schutz vor Umwelteinflüssen genügen kunststoffkaschierte Aluminiumfolien als Gehäuse. Bei diesen Folienbatterien ist der Gewichtsanteil des Gehäusematerials äußerst gering.

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Technische Daten  
o Elektrolytlösung: Als Elektrolytträger werden z.B. Polyethylenoxid (PEO), Poly-Phenylen-Plastic (PPP), Polyvinylidendifluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-HFP) und Polymere mit molekular gebundenen Festionen eingesetzt. Als Ionenleiter werden u.a. genannt: LiCF3SO3, Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTaO3, SrTiO3, LiTi2(PO4)3·Li3PO4, LiCl, LiBr, LiJ.
o Beispiele:
{short description of image} Polymerelektrolyt PEO9 LiCF3SO3
  {short description of image} Schichtdicke: 80 – 200 m m (Folien)
  {short description of image} Leitfähigkeit: ca. 5 x10-4 S/cm bei 120°C
  {short description of image} Polymerelektrolyt PVDF-HFP Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3
  {short description of image} Schichtdicke einige 100 m m
  {short description of image} Leitfähigkeit: ³ 10-4 S/cm, Restleitfähigkeit ³ 10-10 S/cm
o Betriebstemperaturbereich: - 20 bis 40 °C; bei PEO bis 120°C, vorzugsweise 80°C (hierbei ist die Leitfähigkeit gut und temperaturbedingte parasitäre Reaktionen finden noch nicht statt).
o Theoretische spezifische Energie: 450 - 900 Wh/kg
o Praktische spez. Energie: 130 - 144 Wh/kg
o Energiedichte: 230 – 410 Wh/l
o Lebensdauer: Nach 300 Zyklen noch 95% der Ausgangskapazität,
o Selbstentladung: bei niedrigen Temperaturen gering
o Leerlaufspannung: 4 V, Nennspannung: 3,7 V
o spez. Ladung: 1157 Ah/kg (theoretisch), 680 Ah/kg Laborzellen, 372 Ah/kg in Gebrauch
o Energiewirkungsgrad: keine Angaben
o Bauarten: Verbraucherorientierte Abmessungen
o Baugrößen: 500 mAh bis 60 Ah (PEO Li-Akkus)


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Besonderheiten:   Die schlechte Leitfähigkeit versucht man durch dünne Schichten und große Flächen auszugleichen.

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Vorteile, Nachteile   Vorteile:Hohe Energiedichte. Einfache Herstellung beliebiger Abmessungen. Sicherer als das Li-Ion-System. Absolut auslaufsicher. Vergleichsweise hohe Zellenspannung.

Nachteile: Schlechte Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Keine reversible Überladereaktion. Gegenwärtig (2001) ist die Zykelstabilität gegenüber Li-Ion-Zellen schlechter.

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

Fraunhofer Institut für Chemische Technologie

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7
D-76327 Pfinztal (Berghausen)

Telefon (0721) 46 40-0
Fax (0721) 46 40 - 111



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