Lithium-Iod-Batterie
Die Lithium-Iod-Batterie (Li-I2-Batterie) ist eine nicht wiederaufladbare Lithiumbatterie mit Lithium als Anode und einer Kombination basierend auf Iod und Poly-2-vinylpyridin (P2VP) als Kathode. Als fester Elektrolyt dient Lithiumiodid, das die Eigenschaft hat, Lithiumionen von der Anode zu Kathode gut leiten zu können, während es für Iodionen in umgekehrter Richtung undurchlässig ist.[1] Dieser Batterietyp wird primär im Bereich bei elektrisch betriebenen Implantaten wie Herzschrittmachern als langlebige und eigensichere Energiequelle eingesetzt.[2] Zwischen der Markteinführung 1972 und dem Jahr 1997 wurden in Herzschrittmachern 3,5 Millionen Lithium-Iod-Batterien genutzt.[3]
Eigenschaften
Lithium-Iod-Batterien sind Feststoffbatterien ohne flüssige Bestandteile und zeichnen sich durch eine sehr geringe Selbstentladung um 0,6 % pro Jahr[4] aus. Die Leerlaufspannung variiert je nach Typ und liegt bei handelsüblichen Zellen für Herzschrittmacher bei 2,8 V. Die Li-I2-Zellen können aufgrund des hohen Innenwiderstandes nur geringe Entladeströme liefern. Übliche Lastwiderstände liegen über 10 kΩ, die entnehmbare Leistung unter 1 mW. Die Zellen sind kurzschlussfest und es kommt in keinem Betriebsfall zu einer Gasbildung in der Zelle. Damit kann eine Leckage der Batterie sicher verhindert werden, was für Implantate ein wesentliches Kriterium ist.[5]
Reaktionen
An der Anode gibt das Lithiummetall Elektronen ab. Es wird zum Lithiumion Li+ oxidiert, das in den LiI-Festelektrolyten aufgenommen wird:
Anodenreaktion: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \quad\mathrm{Li \rightarrow Li^+ + e^-}}
Aufgrund der Elektronenabgabe ist das der Minuspol der Batterie.
An der Kathode (Pluspol) wird das elementare oder komplex gebundene Iod reduziert, d. h., es bildet unter Aufnahme von Elektronen Iodidanionen I−. Diese reagieren mit dem durch den Festelektrolyten kommenden Lithiumionen zu Lithiumiodid:
Kathodenreaktion: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm {I_2 + 2 \ Li^+ + 2 \ e^- \rightarrow 2 \ LiI}} bzw. Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm {P2VP \cdot n I_2 + 2 \ Li^+ + 2 \ e^- \rightarrow P2VP \cdot (n-1) \ I_2 + 2 \ LiI}}
Gesamtreaktion: Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („https://wikimedia.org/api/rest_“) hat berichtet: „Cannot get mml. Server problem.“): {\displaystyle \mathrm {2\ Li+I_{2}\rightarrow 2\ LiI} } bzw.
Historisches
Erste Batterien mit einer festen Iodidelektrode wurden von einer Arbeitsgruppe am Jet Propulsion Laboratory (JPL) entwickelt, sie veröffentlichte ihre Ergebnisse 1967.[6] Sie verwendete aber keine Lithiumelektrode, sondern vor allem Magnesium- und Calciumanoden.[6] Die Lithium-Iod-Batterie wurde 1970/1971 von James Moser und Alan Schneider zum Patent angemeldet.[7][8]
In der DDR wurden Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von Herzschrittmachern entwickelt (Typ LIS2300) und 1984–1989 80000 Stück hergestellt. Die Herzschrittmacher konnten ohne Importe aus dem Westen hergestellt werden, waren die mit der längsten Laufzeit weltweit und wurden auch nach Polen, Ungarn, Bulgarien und China exportiert. Batterien, die nicht die medizinischen Spezifikationen erfüllten, wurden für andere Geräte eingesetzt – z. B. im Taxameter BOTAX 80, im Mobilen Fahrscheindrucker FABUS 1 und im Mehrkanalschreiber PMM100[9][10][11]
Literatur
- Thomas Roy Crompton: Battery Reference Book. Newnes, 2000, ISBN 0-7506-4625-X, Kapitel 24.
Einzelnachweise
- ↑ V. S. Mallela, V. Ilankumaran, N. S. Rao: Trends in cardiac pacemaker batteries. In: Indian pacing and electrophysiology journal. Band 4, Nr. 4, 2004, S. 201–212, PMID 16943934, PMC 1502062 (freier Volltext).
- ↑ Curtis F. Holmes: The Lithium/Iodine-Polyvinylpyridine Battery - 35 years of Successful Clinical Use. (PDF) Abgerufen am 26. August 2014.
- ↑ Christian Julien: The CRC Handbook of Solid State Electrochemistry. Hrsg.: Paul J. Gellings, Henny J. Bouwmeester. CRC Press, Inc., 1997, ISBN 0-8493-8956-9, Chapter 11: Solid State Batteries, S. 386.
- ↑ TGL 38 699. Oktober 1987, abgerufen am 2. Mai 2022.
- ↑ Edward J. Prosen, Jennifer C. Colbert: A Microcalorimeter for Measuring Self-Discharge of Pacemakers and Pacemaker Power Cells. Hrsg.: Journal of Research of the National Bureau of Standards. Band 85, Nr. 3, 1980, doi:10.6028/jres.085.010.
- ↑ a b Felix Gutmann, Allen M. Hermann, Alan Rembaum: Solid State Electrochemical Cells Based on Charge Transfer Complexes. In: Journal of The Electrochemical Society (JEC). Band 114, Nr. 4. The Electrochemical Society ECS, April 1966, S. 323–329, doi:10.1149/1.2426586 (abstract Online).
- ↑ Patent US3660163: Solid State Lithium-Iodine Primary Battery. Angemeldet am 1. Juni 1970, veröffentlicht am 2. Mai 1972, Anmelder: Catalyst Research Corporation, Baltimore, Erfinder: James R. Moser.
- ↑ Patent US3674562: Primary cells and iodine containing cathodes therefor. Angemeldet am 15. Januar 1971, veröffentlicht am 4. Juli 1972, Anmelder: Catalyst Research Corporation, Baltimore, Erfinder: Alan A Schneider, James R Moser.
- ↑ https://www.ardmediathek.de/video/lebensretter/lebensretter-herzschrittmacher-made-in-gdr/mdr-fernsehen/Y3JpZDovL21kci5kZS9iZWl0cmFnL2Ntcy9iNDZhYjJkMy1jY2M0LTQzZjYtOWNlMS02OWFjNmQzNmU3OTk/
- ↑ http://b80.early8bitz.de/fabus.htm
- ↑ https://www.robotrontechnik.de/html/forum/thwb/showtopic.php?threadid=16543
