Alles Wissenswerte über Lithium-Thionylchlorid-Batterien

Lithium-Thionylchlorid-Batterien (LiSOCl₂) gehören zur Familie der Lithium-Primärzellen. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer-Batterien können diese Zellen nach einmaliger Entladung nicht wieder aufgeladen werden - wer es dennoch versucht, riskiert heftige Reaktionen der Zelle! Dieser Aspekt fällt aufgrund der hohen Lebensdauer der Zellen in der Praxis jedoch kaum ins Gewicht. Bei geringem Strombedarf versorgen Lithium-Thionylchlorid-Batterien Anwendungen über mehrere Monate oder sogar Jahre hinweg mit Strom, ehe sie ausgewechselt werden müssen. Im Folgenden werden die wichtigsten Eigenschaften dieser Zellchemie kurz vorgestellt.

Hohe Spannung – hohe Energiedichte

Lithium-Primärzellen – zu denen auch Lithium-Eisensulfid- oder Lithium-Mangandioxid- Batterien zählen – verfügen in der Regel über eine Zellspannung von 1,5 Volt bzw. 3 Volt. Die Zellspannung einer Lithium-Thionylchlorid-Batterie liegt jedoch noch einmal deutlich darüber. Mit einer Spannung von 3,6 Volt bewegt sich die Batterie auf dem Niveau von Lithium-Ionen-Batterien. Dieses Spannungslevel wird von der Batterie über nahezu die gesamte Entladedauer konstant gehalten – ein absolutes Alleinstellungsmerkmal der Lithium-Thionylchlorid-Zellchemie.

In puncto Energiedichte sind Li/SOCl₂-Batterien allen anderen Primärzellen ebenfalls überlegen. Hier sind bis zu 710 Wattstunden/Kilogramm möglich.

Geringe Ströme – weiter Temperaturbereich

Zum Einsatz kommen Lithium-Thionylchlorid-Batterien überall dort, wo über einen langen Zeitraum hinweg niedrige Ströme benötigt werden. Anwendungen wie beispielsweise Schließzylinder, Zeitschaltuhren, Mautsysteme oder Heizkostenzähler sind typische Einsatzgebiete. Die hohe Energiedichte der Thionylchlorid-Zellen sorgt dafür, dass diese Anwendungen über mehrere Monate oder sogar Jahre hinweg betrieben werden können, ohne dass ein Austauschen der Batterie nötig ist.

Lithium-Thionylchlorid-Batterien sind zur Nutzung in einem Temperaturbereich zwischen -60 und +85 Grad Celsius ausgelegt. Bemerkenswert ist dabei insbesondere die Performance der Zellen bei niedrigen Temperaturen. Selbst bei zweistelligen Minusgraden liefern die Zellen eine konstant hohe Spannung.

Passivierung von Lithium-Thionylchlorid Batterien

Im Gegensatz zu allen anderen Lithium-Primärzellen kommt es innerhalb der Lithium-Thionylchlorid-Zelle zu einer chemischen Reaktion der Lithium-Anode mit dem Elektrolyt. In der Folge bildet sich ein Schutzfilm aus Lithiumchlorid-Kristallen über der Lithium-Anode, der den Ionenfluss zwischen Anode und Kathode erschwert. Man spricht von einer sogenannten „Passivierung“ der Batteriezelle. Je länger eine LiSOCl₂-Batterie gelagert wird und je höher die Lagerungstemperatur, desto stärker ist dieser Passivierungs-Effekt.

Bei Inbetriebnahme der Batterie behindert der Schutzfilm über der Lithium-Anode den Stromfluss, was ein plötzliches Absinken der Betriebsspannung verursachen kann. Man spricht auch von einem sogenannten „Spannungssack“. Mit anhaltender Betriebsdauer wird der Schutzfilm nach und nach abgetragen und die Betriebsspannung steigt auf den gewohnten Spannungswert. Wird über einen längeren Zeitraum hinweg kein Strom aus der Batterie angefordert, bildet sich der Passivierungs-Schutzfilm erneut.

Das Ausmaß des oben beschriebenen Spannungseinbruchs ist abhängig von der Lagerdauer, der Temperatur während der Lagerung, dem angeforderten Entladestrom sowie einigen mechanischen Aspekten. Bei niedrigen Entladeströmen kommt es in der Regel nur zu geringen Spannungseinbußen. Problematisch wird es, wenn eine Lithium-Thionylchlorid-Batterie nach langer Lagerzeit sofort mit hohen Entladeströmen konfrontiert wird. In diesem Fall kann es passieren, dass die Spannung unter die Abschaltspannung sinkt.

Um dies zu vermeiden, sind viele Lithium-Thionylchlorid-Batterien mit einer sogenannten „Wake-up“-Funktion ausgestattet. Dabei handelt es sich um einen leistungsfähigen Kondensator, der parallel zur Batterie geschaltet wird, um den anfänglichen Spannungsabfall zu kompensieren.

Wie oben beschrieben, wird die Passivierungs-Schutzschicht einer Lithium-Thionylchlorid-Batterie in der Regel im Zuge der Inbetriebnahme von selbst abgetragen.

In Abhängigkeit zur Dauer und den äußeren Bedingungen der Lagerung kann es passieren, dass eine manuelle De-Passivierung nötig wird. Sind die Batterien (Bobbin-Bauweise) nicht älter als sechs bis zwölf Monate, kann die Passivierungs-Schutzschicht durch einen nur wenige Sekunden andauernden Kurzschluss aufgebrochen werden. Um eine Beschädigung der Batterie zu vermeiden, sollte dieses Verfahren jedoch ausschließlich nach vorheriger Absprache mit dem Hersteller durchgeführt werden.

Wichtig: Auch bei einer bereits erfolgreich depassiverten Batterie bildet sich die Passivierungs-Schicht erneut aus, wenn über einen längeren Zeitraum hinweg kein Strom aus der Batterie angefordert wird. Aus diesem Grund sind für jeden Batterie-Typ spezifische De-Passivierungsströme definiert.

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