Lithium-Ionen-Akku – Anwendungen in der anorganischen Chemie

Lithium war bis Mitte des 20. Jhd. ein Metall, an dem wenig Interesse bestand. Zu Beginn der 1970er änderte sich dies, als an der Technischen Universität in München das grundlegende Funktionsprinzip von Lithium Batterien erforscht und so der Weg zu den Lithium-Ionen-Akkus geebnet wurde. Doch es dauerte noch einige Jahre, bis ein funktionsfähiger Lithium-Ionen-Akku entwickelt wurde. So gelang es zu Beginn der 1980er einer Forschergruppe an der University of Oxford einen ersten einsatzfähigen Lithium-Ionen-Akku zu entwickeln (“Lithium Cobaltdioxid Akku”). Erst zu Beginn der 1990er entwickelte sich ein “Markt” für Lithium-Ionen-Akkus. Und heutzutage sind Lithium-Ionen-Akkus die meist verwendeten Akkus überhaupt.

Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus

Wie kam es zu der rasanten Entwicklung der Lithium-Ionen-Akkus. Dazu führt man heute zwei wesentliche Gründe an:

• Die Entwicklung von mobilen Geräten wie Notebooks, Smartphones, Handheld-Konsolen oder Digitalkameras wäre ohne Lithium-Ionen-Akkus schwer vorstellbar gewesen, da ein gewöhnlicher Akku (z.B. Bleiakkumulator) zu groß oder zu schwer wäre.
• Aus technischer Sicht liegt der Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus auf der äußerst hohen Energiedichte und dem Fehlen eines Memory-Effekts.

Diese Gründe werden hauptsächlich für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus angegeben. Daneben gibt es natürlich noch weitere Gründe für Lithium-Ionen-Akkus:

• Lithium-Ionen-Akkus enthalten keine giftigen Substanzen wie Blei, Cadmium oder Quecksilber.
• Lithium-Ionen-Akkus sind etwa 35 % leichter als ein vergleichbarer Ni-MH-Akku und begründen natürlich den Vorteil, der oben bereits genannt wurde (Lithium-Ionen-Akkus sind klein)
• Lithium verhält sich elektrochemisch ein wenig anders, als andere Metalle, die in Akkus verwendet werden. Bei Lithium-Ionen-Akkus spielt es kaum eine Rolle in welchen Zustand (leer, halbleer) sie geladen werden (-> kein Memory-Effekt).
• Aufgrund seines “speziellen” Aufbaus eines Lithium-Ionen-Akkus sind gegen hohe und niedrige Temperaturen besser beständig als viele andere Akkus.

Alle diese Vorteile führen/führten dazu, dass hauptsächlich nur noch die Lithium-Ionen-Technik verwendet bzw. weiter entwickelt wird. So finden sich Lithium-Ionen-Akkus nicht nur in Kleingeräten wie Smartphones oder Notebooks, sondern auch z.B. in Hybridautos.

Wie kommt man zum Lithium-Ionen-Akku?

Grundlage des Lithium-Ionen-Akkus ist natürlich das Metall/Element Lithium. Lithium ist ein sehr reaktives, unedles Metall, dass aufgrund der hohen Reaktivität in der Natur nicht in reiner Form, sondern nur in Verbindungen vorkommt. Die wichtigsten Lithiumverbindungen in der Natur sind:

• Vorkommen von Lithium in der Natur als Mineralien: Amblygonit (LiAl[PO₄]F), Lepidolith (K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂), Petalit ( LiAl[Si₄O₁₀]) und Spodumen (LiAl[Si₂O₆]) mit einem Lithiumgehalt von bis zu 9 %.
• Vorkommen von Lithium in der Natur als Lithiumsalze: Diese Lithiumsalze (hautsächlich kommt Lithiumchlorid vor) kommen verbreitet auch in Salzseen, vor wobei die Konzentration kann in dieser sog. Salzlauge bis zu einem Prozent betragen kann.

Gefördert wird Lithium in Mineralform hauptsächlich in Australien, Russland, Kanada und den USA. Lithium in Form von Lithiumsalzen finden sich in Chile (Salzsee: Salar de Atacama). Der größte Salzsee in Chile verfügt mit einem Gehalt von 0,16 % über den höchsten Lithiumgehalt weltweit.
Insgesamt kommt Lithium (in Verbindungen) auf der Erde häufiger vor als Blei, aber weniger häufig als Zink und Kupfer. Wie in obiger Auflistung gesehen, kommen Lithiummineralien (meist in Silikat-Gesteinen) nur in geringen Konzentrationen vor. Es gibt auf der Welt keine großen Lagerstätten. Durch die weltweite Verteilung der Lithiumverbindungen ist die Förderung teilweise sehr schwierig und führte in der Vergangenheit schon des Öfteren zu Engpässen.

Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus

Wie bereits erwähnt, entwickelten sich die Lithium-Ionen-Akkus aufgrund der Anwendung in mobilen Geräten, daher sind sie heute für die meisten Menschen ständige Begleiter. Lithium-Ionen-Akkus sind überall dort anzutreffen, wo auf kleinstem Volumen möglichst viel Energie benötigt bzw. gespeichert wird. Bis heute gibt es keinen Akku, der die hohe Energiedichte bei vergleichsweise kleiner Bauform eines Lithium-Ionen-Akkus erreichen kann. Aus diesem Grund ist bisher noch keine echte Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus in Sicht, sodass Lithium-Ionen-Akkus auch noch einige Jahre bestehen bleiben.

So erreichen Lithium-Ionen-Akku Leistungswerte von bis zu 7000 mAh, wodurch Netbooks mithilfe eines Lithium-Ionen-Akkus sogar länger als zehn Stunden genutzt werden können. Bei Notebooks lassen sich ja nach Art des Lithium-Ionen-Akkus eine Betriebsdauer zwischen zwei und zehn Stunden erreichen.

In der Regel haben Lithium-Ionen-Akkus eine “Lebensdauer” von etwa 5 bis 10 Jahre einstellen. Wird jedoch der Akku nur eingelagert und nicht bzw. kaum verwendet, so kann die Lebenszeit auch deutlich höher sein, d.h aber auch, dass bei sehr starker Nutzung des Akkus die Leistungsfähigkeit auch schon deutlich früher als 5 Jahre nachlassen kann. Wichtig aber: Die Anzahl bzw. Dauer der Ladezyklen haben auf die Lebensdauer aber keinen Einfluss (fehlender Memory Effekt).

Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, sind Lithium-Ionen-Akkus gegen hohe und niedrige Temperaturen besser beständig als viele andere Akkus und dadurch natürlich deutlich unempfindlicher sind als andere Akkus.

Trotzdem gibt es einige Dinge zu beachten:

Laden eines Lithium-Ionen-Akkus

• Eine Tiefentladung eines Lithium-Ionen-Akkus führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust und sollte daher in keinem Fall voll aufgeladen oder leer gelagert werden.
• Beim Aufladen eines Lithium-Ionen-Akkus ist es egal, wann der Akku geladen wird. Wie bereits erwähnt existiert beim Lithium-Ionen-Akku kein Memory-Effekt, wodurch der Akku  in keiner Weise beim Laden beeinflusst wird. Daher ist es in der Regel auch problemlos möglich, ein Gerät, dass Lithium-Ionen-Akkus enthält, ständig über die Steckdose zu betreiben, ohne dass dabei der Akku Schäden davon trägt. Vorsicht ist jedoch bei Notebooks angeraten, da der im Notebook eingebaute Akku sich je nach Bauweise erhitzen kann. Werden im Notebook dabei Temperaturen von 60 °C erreicht, kann der Akku geschädigt werden.
• Da kein Memory-Effekt im Lithium-Ionen-Akku vorhanden ist, empfiehlt es sich für den Alltag einen Lithium-Ionen-Akku so früh wie möglich zu laden, um eine Tiefentladung zu vermeiden. Allerdings haben die Hersteller die Lithium-Ionen-Akkus mit Schutzfunktionen ausgestattet, die ein vollständiges Entladen verhindern.

Lagerung eines Lithium-Ionen-Akkus

• Will man einen Akku für länger Zeit lagern, ist es empfehlenswert, einen Lithium-Ionen-Akku bis zur Hälfte aufzuladen und dann bei Raumtemperatur (in einigen Zeitschriften wird auch Lagerung im Kühlschrank empfohlen, diese Art der Lagerung ist aber Streitthema auch bei Experten, bisher sind aber in keinem Fall Nachteile der Kühlschrank-Lagerung bekannt) vor Umwelteinflüssen geschützt zu lagern
• Will man den Akku mehrere Monate lagern, so sollte ein Lithium-Ionen-Akku spätestens nach drei Monaten nachgeladen werden, um eine Tiefentladung zu vermeiden.

Lithium-Ionen-Akku – Anwendungen in der anorganischen Chemie – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Ein Lithium-Ionen-Akku ist eine Art von wiederaufladbarem Akku. Sie sind allgegenwärtig in modernen Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen, wo sie wegen ihrer hohen Energiedichte geschätzt werden.

2. Welche Rolle spielt Lithium in einem Lithium-Ionen-Akku?

Lithium ist das Metall, das im Akku als positiver Ionenleiter dient. Dies ist ein Schlüsselelement in der Funktion der Batterie, da es den Fluss von Elektronen ermöglicht.

3. Welche anorganischen Stoffe werden häufig in Lithium-Ionen-Akkus verwendet?

In Lithium-Ionen-Akkus werden verschiedene anorganische Materialien verwendet, einschließlich Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid und Lithium-Eisen-Phosphat.

4. Warum ist die chemische Stabilität eines Lithium-Ionen-Akkus wichtig?

Die chemische Stabilität eines Lithium-Ionen-Akkus ist wichtig, um die Sicherheit und Langlebigkeit des Akkus zu gewährleisten. Eine chemisch instabile Batterie könnte zum Auslaufen von gefährlichen Substanzen führen.

5. Was ist die Energiedichte und warum ist sie bei Lithium-Ionen-Akkus relevant?

Die Energiedichte bezieht sich auf die Menge an Energie, die ein Akku pro Volumeneinheit speichern kann. Lithium-Ionen-Akkus haben eine hohe Energiedichte, was bedeutet, dass sie viel Energie in einem kleinen Raum speichern können.

6. Wie beeinflusst der Lade- und Entladezyklus eines Lithium-Ionen-Akkus dessen Lebensdauer?

Die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus wird durch die Anzahl der Lade- und Entladezyklen bestimmt. Jeder Zyklus führt zu einer kleinen Menge Verschleiß, die letztendlich die Fähigkeit des Akkus, Energie zu speichern, beeinträchtigt.

7. Wie wirkt sich die Temperatur auf die Leistung eines Lithium-Ionen-Akkus aus?

Die Temperatur hat einen signifikanten Einfluss auf die Leistung eines Lithium-Ionen-Akkus. Hohe Temperaturen können die Kapazität des Akkus verringern und seine Lebensdauer verkürzen, während sehr niedrige Temperaturen die Entladeraten des Akkus verringern können.

8. Warum ist das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien wichtig?

Das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus ist wichtig, um die Ressourcennutzung zu optimieren und die Umweltauswirkungen zu minimieren. Der Recyclingprozess ermöglicht die Rückgewinnung wertvoller Materialien wie Lithium, Kobalt und Nickel.

9. Was ist der Unterschied zwischen einem Lithium-Ionen und einem Lithium-Polymer-Akku?

Ein Lithium-Polymer-Akku verwendet eine Polymer-Elektrolyt, während ein Lithium-Ionen-Akku eine Lithium-Salz-Lösung verwendet. Lithium-Polymer-Akkus sind in der Regel leichter und können in verschiedene Formen geformt werden, aber sie haben in der Regel eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Akkus.

10. Was passiert chemisch während des Lade- und Entladevorgangs eines Lithium-Ionen-Akkus?

Während des Ladevorgangs werden Elektronen durch das Lithium in die negative Elektrode oder Anode gedrückt, was den Fluss von Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode erzeugt. Während des Entladevorgangs fließen die Elektronen aus der Anode durch den externen Schaltkreis zurück zur Kathode, wobei die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode fließen.