Frag den Doktor der Chemie: Warum dürfen primäre Lithium-Batterien nicht wieder aufgeladen werden?

Lithium-Batterien sind eine der am weitesten verbreiteten Arten von Batterien und werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter elektronische Geräte und Energiespeicher. Wir kennen diese Batterien hauptsächlich von unseren Smartphones, Wearables oder Autos, die wir wieder und wieder aufladen können. Es gibt jedoch auch Batterie-Chemien mit Lithium, die nicht wieder aufgeladen werden dürfen. Dazu zählen zum Beispiel die Lithium-Thionylchlorid-Batterie (ER-Typen) oder die Lithium-Mangandioxid (CR-Typen).

Doch warum dürfen diese Batterien nicht wieder aufgeladen werden? Und warum ist das bei Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer-Batterien kein Problem? Das haben wir unseren Doktor der Chemie, Jürgen Heydecke, gefragt:

Primäre Lithium-Batterien enthalten metallisches Lithium. „Man kann sich das wie eine Folie oder einen Zylinder aus Lithium vorstellen, die hell und silberglänzend in der Batterie ist.“, beschreibt Jürgen Heydecke. Wenn die Batterie nun entladen wird, wird das Lithium „verbraucht“. Es geht in den Elektrolyten über und damit auch in die Kathode. „Wenn die Zelle nun wieder aufgeladen werden würde, würde sich das Lithium nicht glatt, sondern nadelförmig an der Anode ablagern. Diese Ablagerungen haben die Form von Dendriten. Sie könnten durch den porösen Separator einen inneren Kurzschluss erzeugen. In diesem Szenario würde das Lithium schmelzen und ein Thermal Runaway wäre die mögliche Konsequenz.“, so Heydecke.

Dendriten sind kleine Verästelungen, die aussehen wie die Fortsätze von Nervenzellen. Jedoch stellen sie elektrochemische Ablagerungen an den Elektroden eines Akkus dar. Dendriten entstehen, wenn das Lithium im Laufe der Zeit durch den Elektrolyten wandert und sich an der Kathode ablagert. Dies kann dazu führen, dass sich die Dendriten durch den Separator durchwachsen und einen Kurzschluss verursachen.

Dr. Jürgen Heydecke, Jauch Quartz GmbH

„Bei wiederaufladbaren Batterien ist das so nicht der Fall. Lange wurde an geeigneten Interkalationsmaterialien geforscht“, führt Dr. Jürgen Heydecke weiter aus. Damit ist der Stoff gemeint, in den die Lithium-Ionen interkalieren, also eingelagert werden. Heutzutage wird dafür vor allem Kohlenstoff verwendet. Beim Aufladen werden die Lithium-Ionen nun in den einzelnen Schichten des Gitters gespeichert. Der Vorteil: das geht ohne die Bildung von Dendriten.

Bei wiederaufladbaren Lithium-Batterien bilden sich also in der Regel keine Dendriten, was die Batterie-Sicherheit positiv beeinflusst. Eine Ausnahme gibt es jedoch auch hier weiß Heydecke. „Solange die Batterien im Rahmen der Spezifikation/Betriebsanweisung geladen werden besteht hier kein Risiko. Wenn aber der Arbeitstemperaturbereich oder die Ströme beim Laden nicht beachtet werden, dann besteht die Gefahr, dass sich das Lithium nicht in den Kohlenstoff-Schichten, sondern außen ablagert. Jetzt haben wir denselben Fall wie bei den primären Lithium-Batterien mit einem Plattieren der Elektroden durch Lithium und es kann dann auch zum Kurzschluss bzw. zum Abbrennen der Zelle kommen.“

„Ein noch sicherer Lösungsansatz wäre die ein fester Elektrolyt in der Lithium-Batterie. Aktuell wird viel an diesen Festkörperbatterien geforscht – es fehlt nur noch Produktionserfahrung für das geeignete Material für hohe Ströme.“, schließt Heydecke ab.