Was sind die Arten von Batterien? Erfahren Sie die Unterschiede zwischen den Zelltypen!

Batteriezellen werden heute nicht nur in Laptops oder Spielzeug verwendet. Mit der Erhöhung der Energiedichte können sie größere Geräte mit Strom versorgen: von Werkzeugen über elektrische Roller und Fahrräder bis hin zu E-Autos in der Größe von Bussen. Dies ist möglich, weil in all diesen Anwendungen der gleiche Zelltyp (Li-Ion) verwendet werden kann. Dennoch wird weiterhin an neuen Lösungen gearbeitet. Daher lohnt es sich, die Unterschiede zwischen den beliebtesten Batterietypen zu kennen.

Erste Batteriezellen – NiCd und NiMH

Die Geschichte der Batteriezellen begann 1899 in Schweden, als Waldemar Jungner die erste Nickel-Cadmium-Zelle (NiCd) baute. Hohe Materialkosten bei der Herstellung begrenzten erheblich die Verwendung dieser Batterietypen. Ein weiterer Nachteil war die hohe Toxizität von Cadmium. Es dauerte jedoch fast 100 Jahre, hauptsächlich aus diesem Grund, dass der Verkauf von NiCd-Batterien in Europa gesetzlich nur für spezielle industrielle Anwendungen eingeschränkt war.

In den 1990er Jahren entstand die Technologie der Nickel-Metallhydrid-Zelle (NiMH). Konstruktiv unterscheiden sie sich von NiCd nur im Kathodenmaterial, was sie deutlich umweltfreundlicher macht. Sie bieten eine 30- bis 40% höhere Kapazität und eine höhere Beständigkeit gegen den “Memory-Effekt” als NiCd-Zellen. Zusätzlich erhöht das Vorhandensein von Nickel die Attraktivität ihres Recyclings. Zu den Hauptnachteilen von NiMH-Zellen gehören ihre deutlich begrenzte Lebensdauer, die Notwendigkeit komplexer Ladealgorithmen und ein starker Leistungsabfall bei niedrigen Temperaturen.

Moderner Typen von Batteriezellen. Worin unterscheiden sie sich?

Die Entwicklung von Batteriezellen dauerte Jahrzehnte, beschleunigte sich aber erst in den 1990er Jahren signifikant. In diesem Jahrzehnt sanken die Herstellungskosten für moderne Batterien, was zu einer erhöhten Verwendung führte, die wiederum die Entwicklung neuer Produktionstechnologien anregte.

Lithium-Ionen-Zellen. Was ist wichtig darüber zu wissen?

Die Entdeckung der Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie stammt aus den 1970er Jahren. John B. Goodenough baute sie damals unter Verwendung einer Lithium- und Kobaltoxid-Kathode. 1991 führte Sony die ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien auf Basis der LiCoO2-Technologie auf den Markt ein.

Beliebte 18650-Batterien

Kurz darauf wurden Zellen wie die 18650 entwickelt, benannt nach ihren Abmessungen (18 mm Durchmesser, 65,0 mm Länge). Li-Ion-Zellen können auch andere Formen und Größen haben. Ihre Produktion begann ab 2001, was ihre enorme Beliebtheit sicherte.

Anwendungen von Li-Ion-Zellen

Andererseits sind Li-Ion-Zellen anfällig für Selbstentzündung und Explosionen unter bestimmten Bedingungen. Daher die Notwendigkeit spezieller Batteriemanagementsysteme, die die Stabilität von Lade- und Entladevorgängen gewährleisten und die Batterie vor Überhitzung schützen. In der Praxis haben der Herstellungsprozess und die richtige Verwendung den größten Einfluss auf die Stabilität von Li-Ion-Zellen. Es wird daher empfohlen, Batterien nur von renommierten Herstellern mit speziellen Ladegeräten zu verwenden.

Lithium-Ionen-Zellen werden häufig verwendet in:

• Verbraucherelektronik (Telefone, Laptops, Digitalkameras, Powerbanks, Taschenlampen usw.),
• Große Energiespeichersysteme für die Industrie,
• Einigen Elektrofahrzeugen.

Lithium-Polymer-Zellen. Warum sind sie so beliebt?

Lithium-Polymer-Zellen sind tatsächlich Lithium-Ionen-Batterien, bei denen der flüssige Elektrolyt durch ein festes oder gelartiges Polymer ersetzt wurde (verwechseln Sie sie jedoch nicht mit Gelbatterien, bei denen der Gel-Elektrolyt eine Mischung aus Schwefelsäure und Silica ist).

In den ursprünglichen Designs von Lithium-Polymer-Zellen hatte der Elektrolyt die Form eines Kunststofffilms, dessen elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur gering war. Durch Erhitzen der Zelle auf eine Temperatur zwischen 50°C und 60°C erhöhte sich ihre Leitfähigkeit, was in vielen Anwendungen unpraktisch war. Daher wurden Polymerzellen mit einem gelartigen Elektrolyten entwickelt, die bei Raumtemperatur akzeptable Leistungen erbringen.

Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Zellen benötigen Li-Po-Batterien keine starren Gehäuse, was ihr Gewicht um über 20% reduziert und Batterieformen ermöglicht, die auf Geräte zugeschnitten sind. Eine Lithium-Polymer-Zelle kann so dünn wie eine Kreditkarte sein. Aus diesen Gründen werden sie in Laptops, Smartphones und anderen tragbaren Geräten verwendet. Darüber hinaus sind Li-Po-Zellen auch in mobilen medizinischen Geräten und ferngesteuerten Fahrzeugen (z. B. Drohnen) zu finden.

LFP-Batterien, LiFePO4 – was sind sie?

Eine Art von Lithium-Polymer-Zelle mit einem gelartigen Elektrolyten ist die LFP-Batterie, auch bekannt als LiFePO4, weil ihre positive Elektrode aus Eisen und Phosphor besteht.

Derzeit sind dies die sichersten Batterien auf dem Markt, widerstandsfähiger gegen mechanische Beschädigungen (insbesondere Durchstich). Sie zeigen auch eine hohe Beständigkeit gegen unsachgemäße Betriebsbedingungen, was sie für die Schwerindustrie und andere anspruchsvolle Anwendungen (einschließlich tiefer Entladung) geeignet macht. Im Vergleich zu NCA/NCM-Zellen sind sie billiger, haben aber eine geringere Energiedichte. Sie leiden unter reduzierter Leistung bei niedrigen Temperaturen. Bei ordnungsgemäßer Verwendung erreichen sie eine Lebensdauer von 3500 bis 5000 Zyklen, was einer Nutzungsdauer von 8 bis sogar 10 Jahren entspricht.

LFP-Batterien werden am häufigsten verwendet in:

• Elektroautos – insbesondere in günstigeren Modellen wie Tesla in der Standard Range-Version,
• Telekommunikation, Energie, Industrie und Medizin,
• Notstromversorgung und Alarmsysteme,
• Evakuierungsbeleuchtung,
• Fotovoltaikanlagen,
• Bordstromversorgung bei Booten, Wohnmobilen, Anhängern,
• Immer häufiger in Lagerfahrzeugen (Gabelstaplern).

NCA-Zellen – die wichtigsten Informationen

Panasonic produziert NCA-Zellen. Diese Konstruktion verwendet Kathoden aus einer Mischung aus Nickel, Kobalt und Aluminium. Dadurch können NCA-Zellen mit den höchsten Ladegeschwindigkeiten betrieben werden und weisen eine hohe Energiedichte (200-260 Wh/kg) auf, jedoch die kürzeste Lebensdauer. Darüber hinaus nimmt ihre Lebensdauer nicht nur durch den Gebrauch, sondern auch durch das “Altern” der Zelle ab.

Zusammen mit NMC werden NCA-Zellen hauptsächlich zur Stromversorgung von Elektroautos verwendet. Sie werden auch in Energiespeichersystemen, jedoch sporadisch in Consumer-Elektronik, eingesetzt.

NMC-Batteriezellen – kennen Sie diese Fakten?

1. Die Produktion von NMC-Zellen begann 2009.
2. Ihre positive Elektrode besteht aus einer Mischung aus Nickel, Mangan und Kobalt.
3. Die Anteile dieser Komponenten bestimmen die Preise dieser Zellen und ihre Eigenschaften wie Energiedichte (150-200 Wh/kg) oder spezifische Leistung.
4. Im Vergleich zu LFP-Batterien haben sie eine kürzere Lebensdauer (von 800 bis 2000 Zyklen) und obwohl sie Stabilität in den verwendeten chemischen Komponenten zeigen, sind sie weniger sicher als LiFePO4-Zellen.
5. Ähnlich wie LiFePO4 enthalten auch NMC-Zellen gelartige Elektrolyte, funktionieren aber besser bei niedrigen Temperaturen.
6. Sie gehören zu den am häufigsten verwendeten Zellen in der Elektromobilität aufgrund des Kompromisses zwischen Energiedichte und Sicherheit.

NMC-Zellen werden hauptsächlich zur Stromversorgung von verwendet:

• Elektrowerkzeugen,
• Telefonen, Laptops,
• Gabelstaplern und Hubwagen (insbesondere die kompaktesten Modelle),
• Elektroautos mit den größten Batterien (z. B. Tesla, Long Range- und Performance-Modelle).

Sichere Halbleiterbatterien

Für die Sicherheit der Verwendung scheinen Halbleiterbatterien, d.h. Festkörperbatterien, am attraktivsten zu sein. Vor allem, weil sie den flüssigen Elektrolyten entfernen, der Kohlenwasserstoffe enthält und ihn so zu einem ausgezeichneten Brennstoff macht. Deshalb brennen überhitzte Li-Ionen-Batterien so effektiv. Festkörperbatterien haben auch eine höhere Energiedichte und können in einem breiteren Temperaturbereich betrieben werden.