Die Chemie hinter dem Element Lithium
Lithium ist das leichteste aller Metalle und besitzt das negativste Standard-Elektrodenpotenzial im Periodensystem (minus 3,04 Volt gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode). Aus diesem Grund ermöglicht die Kombination von metallischem Lithium mit geeigneten Kathodenmaterialien außergewöhnlich hohe Zellspannungen und Energiedichten.
Da metallisches Lithium heftig und exotherm mit Wasser reagiert (unter Freisetzung von Wasserstoffgas), dürfen Lithium-Zellen unter keinen Umständen wässrige Elektrolyte enthalten. Stattdessen kommen aprotische, wasserfreie organische Lösungsmittel (wie Propylencarbonat, Dimethoxyethan) mit gelösten Lithiumsalzen (z. B. Lithiumperchlorat oder Lithiumtriflat) zum Einsatz.
Die zwei wichtigsten chemischen Systeme im Alltag
1. Lithium-Eisensulfid (Li-FeS2) – Der 1,5-Volt-Hochleistungskönig
Für Geräte, die Standard-Rundzellen der Baugrößen Mignon (AA) oder Micro (AAA) verlangen, wurde das Li-FeS2-System entwickelt (bekannt vor allem durch die Serie Energizer Ultimate Lithium):
- Spannung: Nennspannung 1,5 Volt (Leerlaufspannung ca. 1,75 V). Sie sind zu 100 Prozent abwärtskompatibel zu gewöhnlichen Alkaline-Batterien.
- Gewichtsvorteil: Eine AA-Lithiumzelle wiegt nur rund 15 Gramm gegenüber rund 24 Gramm einer Alkaline-Zelle – eine enorme Entlastung für Outdoor-Sportler, Stirnlampen und Handheld-GPS-Geräte.
- Extreme Kältebeständigkeit: Während Alkaline-Batterien bei minus 10 Grad Celsius versagen, liefert Li-FeS2 selbst bei minus 40 Grad Celsius noch über 80 Prozent seiner Leistung.
- Konstantes Spannungsplateau: Der extrem geringe Innenwiderstand verhindert jeden Spannungseinbruch bei Hochstromverbrauchern wie Digitalkameras oder Foto-Blitzen.
2. Lithium-Mangandioxid (Li-MnO2) – Der 3,0-Volt-Industriestandard
Dieses System dominiert die Welt der Knopfzellen und Fotobatterien (CR-Serie wie CR2032, CR2025, CR2450, CR123A, CR2):
- Spannung: Liefert stabile 3,0 Volt Nennspannung – genau das Doppelte einer gewöhnlichen Alkaline-Zelle. Eine einzelne Zelle kann zwei Alkaline-Zellen in Reihe ersetzen.
- Lagerfähigkeit: Durch die spontane Bildung einer extrem stabilen mikroskopischen Passivierungsschicht auf der metallischen Lithiumanode liegt die Selbstentladung bei unter 1 Prozent pro Jahr. Dies ermöglicht garantierte Lagerzeiten von 10 bis über 15 Jahren.
- Typische Anwendungen: CMOS-Pufferbatterien auf Computer-Mainboards, Autoschlüssel, medizintechnische Sensoren, Brustgurte und 10-Jahres-Rauchwarnmelder.
| Eigenschaft | Lithium-Eisensulfid (Li-FeS2) | Lithium-Mangandioxid (Li-MnO2) | Alkali-Mangan (Vergleich) |
|---|---|---|---|
| Nennspannung | 1,5 V | 3,0 V | 1,5 V |
| Typische Bauformen | AA (FR6), AAA (FR03) | CR2032, CR123A, 9V-Block | AA, AAA, C, D, 9V |
| Temperaturbereich | -40 °C bis +60 °C | -30 °C bis +70 °C | -10 °C bis +50 °C |
| Lagerfähigkeit | bis zu 20 Jahre | 10 bis 15 Jahre | 5 bis 10 Jahre |
| Wiederaufladbar? | Nein (Lebensgefahr!) | Nein (Lebensgefahr!) | Nein |
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