Lithium-Ionen-Akku

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Lithium-Ionen-Akku

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator oder Li-Ionen-Akku ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium. Die Li-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch stabil und unterliegen keinem Memory-Effekt.

Verwendung[Bearbeiten]

Li-Ionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit Elektrizität, beispielsweise

  • Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder oder Notebooks
  • Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridfahrzeuge
  • Auch werden Lithium-Ionen-Akkus bei Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und bei Gartengeräten verwendet.

Der Lithium-Ionen-Akkumulator auf der Basis von LiCoO2 hat eine Energiedichte von 120–210 Wh/kg bei einem Wirkungsgrad von etwa 90 %.

Prinzip[Bearbeiten]

Im Lithium-Ionen-Akku wird die elektrische Energie in Lithium-Atomen an der negativen Elektrode (Anode) und Übergangsmetall-Ionen - wie Kobalt (Co), Nickel (Ni) oder Eisen (Fe) - an der positiven Elektrode (Kathode) in einem chemischen Prozess gespeichert.

Im Li-Ionen-Akku kann Lithium in ionisierter Form durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern. Daher kommt auch der Name des Lithium-Ionen-Akkus. Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen sind die Übergangsmetall-Ionen ortsfest.

Dieser Lithium-Ionen-Fluss ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben. Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Lithium-Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten Übergangsmetallionen. Das Lithium liegt im entladenen Zustand an der positiven Elektrode somit weiterhin in Ionen-Form vor.

Die relativ kleinen Lithium-Atome werden üblicherweise in einem anderen Stoff eingelagert, meist Graphit, wo sie sich zwischen den Graphitebenen einlagern. Man spricht von einer Interkalationsverbindung. Damit wird ein kristallartiges ("dentritisches") Ausscheiden hochreaktiven, elementaren Lithiums vermieden. Wesentlich für das Funktionieren der Interkalation ist die Ausbildung einer schützenden Deckschicht auf der negativen Elektrode, die für die kleinen Li+-Ionen durchlässig, für Lösungsmittelmoleküle jedoch undurchlässig ist.

Brände durch Li-Ionen-Akkus[Bearbeiten]

Eine sicherheitskritische Eigenschaft von Lithium-Ionen-Akkus besteht im thermischen "Durchgehen". Das heißt, das System wird ohne weitere Wärmezufuhr aus sich selbst heraus immer heißer, bis es sich schließlich entzündet oder gar explodiert. Dieser selbstverstärkende Effekt kommt in Gang, wenn eine bestimmte Grenztemperatur überschritten wird, je nach Bauart liegt sie bei Lithium-Ionen-Akkus zwischen 150 und 250 Grad Celsius. Die Kathode besteht in der Regel aus einem Metalloxid, also einer Sauerstoffverbindung. Wird die Grenztemperatur überschritten, geht das Lithium eine Reaktion mit dem Sauerstoff aus diesem Metalloxid ein. Unglücklicherweise ist diese Reaktion exotherm, es wird also zusätzliche Wärme frei. Besonders unschön wird es jenseits von 300 Grad, dann beginnt der Elektrolyt, der Kathode und Anode voneinander trennt, unter Auftreten von Kurzschlüssen zu brennen.

Um das thermische Durchgehen auszuschließen, wird bei sicherheitsrelevantem Einsatz (z.B. Elektroautos) die Batterie zum einen aktive gekühlt, zum anderen erfolgt eine permanente Temperaturüberwachung. Droht die Batterie ihre zulässige Betriebstemperatur (von etwa 60 Grad Celsius) zu überschreiten, wird der Betrieb oder auch die Energiezufuhr durch Laden eingestellt.

Biegsame Akkus[Bearbeiten]

Südkoreanische Forscher haben erste biegsame und bedruckbare Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, schreibt das Ulsan National Institute of Science and Technology. Der Akku verwendet demnach Nanomaterialien, um flüssigkeitsähnliche Polymer-Elektrolyte zu schaffen – als Alternative zu verflüssigten Elektrolyten, wie sie konventionelle Batterien enthalten. Dadurch könnten laut den Forschern auch die im oberen Abschnitt beschriebenen Sicherheitsprobleme gelöst werden, mangels brennbarer Schicht, welche die Elektrolyte voneinander trenne.

Mehr zum Thema[Bearbeiten]

Vielleicht gibt es bald was besseres: Forscher am Oak-Ridge-Nationallabor haben ein festes Elektrolytmaterial entwickelt, das Lithium-Ionen-Energiespeicher deutlich sicherer machen soll: Technology Review