Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

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.

Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

Nachfolgend soll die grobe Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus kurz vorgestellt werden. Ein grober Aufbau kann deswegen nur vorgestellt werden, da sich aufgrund der Verwendung von unterschiedlichen Materialien (als Elektrodenmaterial) und je nach Bauweise der Aufbau teilweise stark unterschiedlich ist.

• Jeder Lithium-Ionen-Akku enthält Lithium Atome bzw. Ionen, die sich innerhalb einer nicht-wässrigen Elektrolytlösung (wie z.B. Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder Dimethylcarbonat) frei bewegen können. Eine nicht-wässrige Elektrolytlösung, da Wasser unter starker Wärmeentwicklung mit Brand- und Verpuffungsgefahr mit Lithiumverbindungen reagieren kann.
• Wie jeder Akku(mulator) besteht auch der Lithium-Ionen-Akku aus zwei Elektroden. Die negative Elektrode eines gängigen Li-Ionen-Akkus besteht aus Graphit, während die positive Elektrode meist Lithium-Metalloxide enthält.
• Die positive Elektrode enthält ein Metalloxid, das die Elektronen der ionisierten Lithium-Atome aufnehmen kann. In der negativen Elektrode befindet sich Kohlenstoff in Form von Graphit, in dem die nicht ionisierten Lithium-Atome eingelagert werden.
• Zwischen den beiden Elektroden befindet sich außerdem ein sogenannter Separator, der nur für die Lithium Atome bzw. Ionen durchlässig ist, so dass die Lithium Atome bzw. Ionen während des Ladevorgangs in den Graphit wandern und beim Entladen wieder zurück in die Metalloxid-Elektrode.

Reaktionsgleichungen

Beim Entladen:

• Li_xC_n -> n·C   +   x·Li⁺    +  x·e^–                                            (an der negativen Elektrode)
• Li_(1-x)Metalloxid   +    x·Li⁺   + x·e^– -> LiMetalloxid               (an der positiven Elektrode)
• Li_(1-x)Metalloxid + Li_xC_n -> LiMetalloxid  + n·C                    (Gesamtgleichung)

Wie bereits im allgemeinen Teil erwähnt, liegt der Vorteil der Lithium-Ionen-Akkus darin, dass es keinen Memory Effekt gibt. Dies heißt aber nicht, dass man diese Akkus unendlich oft laden kann. In jedem Lithium-Ionen-Akku sind Elektroden, diese können durch den vorhandenen Sauerstoff im Akku mit der Zeit oxidiert werden, was dazu führt, dass sie mit zunehmender Betriebszeit immer weniger Lithium-Ionen speichern können. Somit erklärt sich auch die Alterung eines Lithium-Ionen-Akkus.

Lithiumverbindungen können -wie bereits erwähnt- teilweise heftig mit Wasser reagieren. Das ist auch der Grund, wenn man von brennenden oder explodierenden Akkus hört. Bei unsachgemäßer Herstellung oder Handhabung können solche Fälle auftreten, etwa wenn der Akku nicht dicht ist und so Wasser eindringt. Zusätzlich sollt nicht vergessen werden, dass eine Tiefentladung zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust führt.

Technische Daten eines Lithium-Ionen-Akkus

• Wie bereits im allgemeinen Teil erwähnt, sind Lithium-Ionen-Akkus etwa 35 % leichter als ein vergleichbarer Ni-MH-Akku.
• Die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus ist höher als bei anderen Akkus (z.B. doppelt so hoch wie die Energiedichte des Nickel-Cadmium-Akkumulators) und liegt bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus zwischen 90 und 200 Wh/kg.

Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator grundsätzlich?

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist eine Art von wiederaufladbaren Akkumulator, bei dem Lithium-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode während der Entladung fließen und vice versa, wenn er geladen wird.

2. Wie ist ein Lithium-Ionen-Akku aufgebaut?

Ein Lithium-Ionen Akku besteht aus drei Hauptkomponenten: einer Anode (negative Elektrode), einer Kathode (positive Elektrode) und einem Elektrolyt dazwischen. Der Elektrolyt ermöglicht den Transport von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode.

3. Aus welchem Material bestehen die Anode und Kathode in einem Lithium-Ionen-Akku?

Die Anode besteht häufig aus Graphit, während die Kathode oft aus Lithium-Metalloxiden besteht.

4. Welche Rolle spielt das Elektrolyt in einem Lithium-Ionen-Akku?

Das Elektrolyt in einem Lithium-Ionen Akku ermöglicht den Transport von Lithium-Ionen zwischen der Anode und Kathode, ermöglicht aber keinen elektronischen Stromfluss.

5. Was passiert im Akku während der Entladung?

Während der Entladung bewegen sich die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode durch das Elektrolyt. Gleichzeitig fließt ein elektrischer Strom durch den externen Stromkreis, der durch die Bewegung von Elektronen von der Anode zur Kathode erzeugt wird.

6. Was geschieht im Akku während des Ladevorgangs?

Während des Ladevorgangs bewegen sich die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode durch das Elektrolyt. Dieser Prozess läuft parallel zum Fließen von Elektronen von der Kathode zur Anode durch den externen Stromkreis.

7. Warum ist es wichtig, Lithium-Ionen-Akkumulatoren nicht zu überladen?

Das Überladen eines Lithium-Ionen-Akkus kann zur Entstehung von Metallischen Lithium und anderen Veränderungen an den Elektroden führen, die eine thermische Runaway-Reaktion auslösen können, die den Akku zerstören oder sogar einen Brand auslösen kann.

8. Wie kann die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus gesteigert werden?

Die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus kann gesteigert werden, indem man das Material der Kathode verbessert oder die Anzahl der Lithium-Ionen, die zwischen den Elektroden fließen können, erhöht.

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

Der Hauptunterschied liegt in der Chemie der Aktivmaterialien: Lithium-Ionen-Akkus verwenden Lithium als aktives Material, während Nickel-Metallhydrid-Akkus eine Kombination aus Nickel und Metalloxiden verwenden.

10. Was sind einige Vorteile und Herausforderungen bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus?

Die Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus sind ihre hohe Energiedichte, geringe Selbstentladungsrate und ihre Fähigkeit zur Wiederaufladung. Herausforderungen beinhalten die Sicherheitsbedenken und das Thermomanagement.