Definition Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

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Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und können somit bei kleiner Bauweise viel elektrische Energie speichern. Wie sind sie aufgebaut? Wie funktionieren sie? Welche Gefahren sind mit deren Anwendung verbunden?

Ob Smartphone, Tablett, Akku-Schrauber, Küchengerät, Mähroboter, Elektrofahrzeuge oder dezentraler Speicher in der Industrie, Akkumulatoren (Kurzform: Akkus) sind aus dem täglichen Leben einfach nicht mehr wegzudenken. Vor allem Li-Ion-Akkus sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften weitverbreitet. Grund genug, sich einmal näher mit den Grundlagen dieser Technologie auseinanderzusetzen.

Die Geschichte des Li-Ion-Akkus

Der Begriff Akkumulator kommt vom lateinischen Wort „accumulator“ und bedeutet „Sammler“. Das Wort setzt sich aus den lateinischen Begriffen „cumulus“ (Haufen) und „accumulare“ (an-, aufhäufen) zusammen.

In den 1970er Jahren entdeckte der britische Chemiker M. Stanley Whittingham, dass sich Lithium-Ionen in den Schichten eines Disulfid-Materials speichern lassen. Disulfide sind chemische Verbindungen, die zwei aneinander gebundene Schwefelatome enthalten. Später nutzte Whittingham Titansulfid und metallisches Lithium als Elektroden. Den Weg in die Praxis fand dieser Akku jedoch nicht. Zwischen 1974 und 1976 entdeckte Jürgen Otto Besenhard die reversible Einlagerung von Ionen in Graphit und schlug ihre Anwendung in Lithiumzellen vor. Weitere 15 Jahre sollten allerdings vergehen, bis der erste Li-Ion-Akku im Jahre 1991 in einer Video-Kamera von Sony mit einer Leistung von 1200 mAh eingesetzt wurde.

Lithium: ein kostbarer Rohstoff

Der Bedarf an Lithium für Li-Ion-Akkus ist immens groß. Lithium ist ein Leichtmetall und ein kostbarer Rohstoff, da es mit einem Anteil von 0,006 Prozent weitaus seltener in der Erdkruste zu finden ist als z. B. Kupfer oder Zink. Die Gewinnung von Lithium ist sehr aufwendig. Zu den größten Abbaugebieten gehören u.a. Chile, Argentinien, Australien, die USA, China und Bolivien. Der Abbau von Lithium ist vielerorts mit gesundheitsgefährdenden Arbeiten verbunden und verursacht überdies große Umweltschäden, u.a. durch einen sehr hohen Wasserbedarf bei der Gewinnung des Rohstoffs.

Guinness-Weltrekord

2.573 Kilometer mit einer Akkuladung

Wie sind Li-Ion-Akkus aufgebaut?

Li-Ion-Akkus folgen, wie jede Batterie, dem Aufbau einer galvanischen Zelle, die die in ihr gespeicherte Energie durch einen auf einem Elektronenübergang beruhende chemische Reaktion (Redoxreaktion) in elektrische Energie umwandeln. Batterien können in nicht wiederaufladbare Primärzellen und wiederaufladbare Sekundärzellen eingeteilt werden. Li-Ion-Batterien gehören daher zu den wiederaufladbaren Sekundärzellen.

Ein Li-Ion-Akku besteht aus mehreren Einzelzellen, wobei jede Zelle immer identisch aufgebaut ist. Die einzelnen Bestandteile der Zelle sind:

• Eine positive Elektrode (Kathode): Sie besteht aus Lithium-Metalloxiden mit Anteilen von Kobalt, Mangan und Nickel.

• Eine negative Elektrode (Anode): Die Anode ist indes zumeist aus Graphit gefertigt. Weitere Materialien, aus denen sich eine Anode zusammensetzen kann sind nanokristallines, amorphes Silizium oder Lithiumtitanspinell (Lithium-Titanat-Akkus).

• Ein wasserfreier Elektrolyt: Damit sich die Lithium-Ionen als Ladungsträger in einer Zelle fortbewegen können, ist ein wasserfreier Elektrolyt enthalten.

• Ein Separator: Zwischen den Elektroden befindet sich außerdem ein Separator aus Vliesstoffen oder polymeren Folien. Der Separator steuert und sichert die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle, indem er Kurzschlüsse vermeidet und gleichzeitig durchlässig für die Lithium-Ionen ist, damit diese sich zwischen den Elektroden bewegen können. Dies sorgt für die sichere Funktion des Akkus.

Wie funktionieren Li-Ion-Akkus?

Die Funktionsweise von Li-Ion-Akkus basiert im Wesentlichen darauf, dass elektrische Energie durch einen chemischen Prozess gespeichert wird. Hierfür ist eine konstante Bewegung von ionisiertem Lithium zwischen Anode und Kathode erforderlich. Die Elektroden bleiben dabei elektrisch neutral, weil der Li-Ion-Fluss den externen Stromfluss beim Laden und Entladen der Akkus stets ausgleicht. Nachfolgend wird beschrieben, was beim Entladen und Laden von Li-Ion-Akkus in einer Zelle passiert.

Entladen: Zum Entladen wird der Akku an einen Verbraucher (z. B. ein elektrisches Gerät) angeschlossen. Hierbei geben die Lithium-Atome an der Anode je ein Elektron ab. Eine gewisse Anzahl an Lithium-Ionen fließt auf diese Weise aus der Anode zu einem externen Verbraucher und gelangen über den externen Stromkreis zurück zur Kathode. Im gleichen Schritt bewegen sich Lithium-Ionen in gleicher Anzahl von der Anode durch den Elektrolyten und den Separator zur Kathode.

Laden: Beim Aufladen eines Akkus wandern die positiv geladenen Lithium-Ionen von der Kathode über den Elektrotlyten und durch den Separator zurück zur Anode, wobei sich die ionisierten Lithium-Atome zwischen den Graphitmolekülen einlagern. Dieser Vorgang wird auch als Interkalation bezeichnet. Bei Erreichen der Akkukapazität wird die Ladespannung gehalten, während der Ladestrom absinkt.

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Die Vor- und Nachteile von Li-Ion-Akkus

Li-Ion-Akkus bieten aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften ein überaus breites Einsatzspektrum. Zu den wesentlichen Vorteilen gehören:

• Lange Lebensdauer: Bei richtigem Umgang ermöglichen Li-Ion-Akkus mehrere tausend Ladezyklen und sind daher ohne Kapazitätsverlust für lange Zeit einsetzbar.

• Hohe Energiedichte: Gemessen an ihrer Größe, verfügen Li-Ion-Akkus über eine hohe Energiedichte und können daher im Vergleich zu anderen Akkus mehr Energie speichern. Zum Vergleich: Ein Li-Ion-Akku kann rund drei- bis viermal mehr Energie speichern als ein herkömmlicher Nickel-Kadmium (NiCd)-Akku. Daher sind Li-Ion-Akkus z.B. ideal für den Einsatz in Mobilgeräten, die bei kompakter Bauweise eine sehr lange Lebensdauer haben sollen.

• Hohe Stromstärke: Insbesondere bei Geräten mit hohem Energiebedarf sind Li-Ion-Akkus von Vorteil, da sie über längere Zeiträume besonders hohe Stromstärken bereitstellen können.

• Geringe Selbstentladung: Die Selbstentladung von Li-Ion-Akkus ist bei richtiger Lagerung nur gering. So verlieren solche Akkus nur rund 1 bis 2 Prozent an Kapazität pro Monat.

• Kein Memory-Effekt: Je häufiger Akkus aufgeladen werden, desto geringer wird ihre Leistung aufgrund des Memory-Effekts. Li-Ion-Akkus der jüngsten Generation haben diesen Effekt nicht, wodurch ihre Kapazität nahezu konstant bleibt.

Wenn über die Vorteile von Li-Ionen-Akkus gesprochen wird, dann müssen auch die Nachteile genannt werden:

• Temperaturempfindlich: Solche sind Akkus dürfen weder bei relativ niedrigen noch hohen Temperaturen gelagert bzw. eingesetzt werden.

• Umweltschädlich: Die Rohstoffgewinnung, z. B. Aluminium, Kobalt und Lithium, ist umweltschädlich und verursacht einen hohen Wasserverbrauch.

• Brandgefahr: Li-Ion-Akkus können potenziell gefährlich sein.

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Welche Gefahren gehen von Li-Ion-Akkus aus?

Lithium ist ein besonders reaktionsfreudiges Material, von dem ein erhebliches Risiko ausgeht. Im Grunde gibt es drei wesentliche Gefahren im Umgang mit Li-Ion-Akkus: elektrische Überlastung, mechanische Beschädigung oder thermische Überlastung.

So kann es bei einem beschädigten Akku zu inneren Kurzschlüssen kommen und die Akkuzelle im schlimmsten Fall überhitzen, wodurch eine erhebliche Brandgefahr besteht.

Auch beim Laden eines Li-Ion-Akkus kann es zu einer elektrischen Überlastung und damit zu einem Brand kommen. Ebenso bei einer Tiefentladung, denn sind die Akkus länger nicht in Gebrauch, können sie sich vollständig entladen, wobei eine unsachgemäße Lagerung diesen Effekt noch begünstigt.

Besonders gefährlich wird es, wenn eine Akkuzelle ihre Energie durch Wärmeeinwirkung von außen unkontrolliert abgibt. Überschreitet die Wärmeeinwirkung den Schmelzpunkt des Separators, entsteht eine kaum beherrschbare Kettenreaktion, auch „Thermal Runaway“ (thermisches Durchgehen) genannt. Schon das thermische Durchgehen von nur einer einzigen Zelle kann die benachbarten Zellen eines Akkublocks derart aufheizen, dass es hier ebenfalls zu einer Kettenreaktion kommt, die im schlimmsten Fall zu einem explosionsartigen Abbrennen des Akkus führt.

Die hochreaktiven Bauteile der Li-Ionen-Akkus erschweren zudem die Entsorgung und das Recycling, da bislang noch kein Verfahren existiert, die Rohstoffe effizient zu separieren und somit in hoher Qualität wiederzugewinnen.

Quellen: Studyflix Chemie, Wikipedia, Profishop, Denios, Study Smarter, Hoffmann Group, Deutsche Welle

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