Lithium-Ionen-Akkumulator

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Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (auch Lithium-Ionen-Akku, Li-Ion-Akku, Li-Ionen-Sekundärbatterie, Lithium-Akkumulator oder kurz Li-Ion; fachsprachlich [ˈliːtiʊm] ausgesprochen,[1] umgangssprachlich auch [ˈliːtsiʊm] (mit s-Laut)) ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen im Vergleich zu anderen Akkumulatortypen eine hohe Energiedichte auf, erfordern jedoch in den meisten Anwendungen elektronische Schutzschaltungen.

Lithium-Ionen-Akkumulator in Flachbauweise
Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau
Lithium-Ionen-Akku Überwachungselektronik (Über- und Entladungsschutz)

Allgemeines[Bearbeiten]

Die Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch stabil und unterliegen einem nur sehr geringen Memory-Effekt.[2] Je nach Aufbau bzw. den eingesetzten Elektrodenmaterialien werden Li-Ionen-Akkus weiter untergliedert: der Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2), Lithium-Titanat-Akkumulator, der Lithium-Luft-Akkumulator, der Lithium-Mangan-Akkumulator, der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4) und der Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator.[3] Kenndaten, wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit oder der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom, variieren bauartbedingt stark und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyt abhängig. Die Angabe des Subtyps (z. B. „Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator“) ist aus diesem Grund informativer als die Angabe des Oberbegriffs „Lithium-Ionen-Akkumulator“.

Je nach Typ werden für die Herstellung eines Lithium-Akkumulators mit einer Speicherfähigkeit von einer 1 kWh an Energie etwa 80 g bis 130 g chemisch reines Lithium benötigt.

Geschichte[Bearbeiten]

Bereits in den 1970er Jahren wurden an der TU München das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetall-Ionen-Interkalation in Kohlenstoff-Anoden[4][5] und oxidische Kathoden[6][7] sowie dessen Anwendung in Lithium-Batterien[8][9] erforscht und veröffentlicht, auch wenn damals die praktische Anwendbarkeit als Elektroden für Lithium-Batterien nicht erkannt wurde.

Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO2-Akku, auch Lithiumcobaltdioxid-Akkumulator, war die erste verfügbare Elektrodenchemie eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Die Brauchbarkeit als Elektrodenmaterial wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough an der University of Oxford entdeckt.[10] Die positive Elektrode besteht aus der namensgebenden Substanz Lithium-Cobalt(III)-oxid.

Im November 1989 wurde in Deutschland ein Patent[11] für einen Lithium-Ionen-Akkumulator angemeldet sowie im Folgenden ein Versuchsmuster angefertigt und erfolgreich getestet. Die deutsche Industrie zeigte damals allerdings kein Interesse an der Weiterentwicklung.

Der erste kommerziell erhältliche Li-Ionen-Akku wurde als Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8-Videokamera CCD TR 1 eingesetzt. Die Batterie besitzt mit zwei seriell verschalteten Zellen eine Zellspannung von 7,2 V und besaß eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Bis heute (2012) werden Akkumulatoren dieser Bauform mit Kapazitäten bis 6900 mAh angeboten und in einer Vielzahl von Sony-Geräten eingesetzt.[12]

Anwendungsbereiche[Bearbeiten]

Li-Ionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium- beziehungsweise Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß wären, beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen oder Taschenlampen. Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Pedelecs, Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridfahrzeuge. Auch im RC-Modellbau haben sie sich etabliert. Durch ihr geringes Gewicht bilden sie, in Verbindung mit bürstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern, eine im Flugmodellbau verwendete Antriebseinheit. Auch werden seit 2003[13] Lithium-Ionen-Akkus bei Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und bei Gartengeräten verwendet. In der Boeing 787 kommen Lithium-Kobaltoxid-Akkus (LiCoO2) zum Einsatz, die aber schon mehrfach gebrannt haben und deshalb nachträglich jeweils eine Stahlummantelung erhielten. Andere moderne Flugzeuge verwenden den Typ mit Eisenphosphat.[14]

Große Lithium-Ionen-Batteriesysteme werden auch in Batterie-Speicherkraftwerken eingesetzt. 2011 ging die stärkste Lithium-Ionen-Batterie – ein Batterie-Speicherkraftwerk in China von BYD in Betrieb.[15] Es kann 36 MWh Kapazität speichern. Ein weiteres Beispiel für die Speicherung von Windenergie ist die 8 MW-Anlage beim Tehachapi-Pass, die eine Energie von 32 MWh speichern kann.[16] Bezogen auf die gespeicherte Energie ist das die größte Batterie in Nordamerika.[17] Die größte Lithium-Ionen-Batterie, die in einen Container passt, kann eine Energie von 1,5 MWh speichern.[18][19] Der europaweit größte kommerzielle Batteriepark wird von der WEMAG in Schwerin gebaut. Er soll im August 2014 in Betrieb gehen und dann aus 25.000 Lithium-Ionen-Akkus eine Gesamtleistung von 5 Megawatt bereitstellen können.[20]

Prinzip[Bearbeiten]

Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (positive Elektrode: LiCoO2; negative Elektrode: Li-Graphit)

Im Lithium-Ionen-Akku wird die elektrische Energie in Lithium-Atomen (an der negativen Elektrode) und (zumeist) Übergangsmetall-Ionen (an der positiven Elektrode) in einem chemischen Prozess mit Stoffänderung gespeichert. Das unterscheidet den Li-Ion-Akku vom Lithium-Ionen-Kondensator, bei dem die Speicherung der elektrischen Energie ohne Stoffänderung erfolgt. Im Li-Ion-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 und daher recht „elektronenhungrigen“ Übergangsmetallionen. Je nach Akkutyp können das Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Eisen-Ionen usw. sein. Das Lithium liegt im entladenen Zustand an der positiven Elektrode somit weiterhin in Ionen-Form vor.

Da an der negativen Elektrode das Lithium nicht ionisiert ist, wäre es optimal, die negative Elektrode aus Lithium-Metall zu konstruieren. Das ist in der Praxis jedoch problematisch: Aufgrund der Deckschichtbildung wird Lithium nicht als kompaktes Metall, sondern dendritisch abgeschieden. Dieser fein verteilte Lithium-Schwamm ist hoch reaktiv. Zudem können Dendriten den Separator perforieren, zur positiven Elektrode durchwachsen und somit die Zelle kurzschließen.

Daher werden die (relativ kleinen) Lithium-Atome in einem anderen Stoff eingelagert, meist Graphit, wo sie sich zwischen den Graphitebenen (nC) einlagern. Man spricht von einer Interkalationsverbindung (LixnC). 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. Ist die Deckschicht ungenügend ausgebildet, kommt es zur Interkalation von Li+-Ionen mitsamt den Lösungsmittelmolekülen, wodurch die Graphitelektrode irreversibel zerstört wird.

Aufbau[Bearbeiten]

Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen Li-Ionen-Akkus (2010) besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxide, wie LiCoO2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2 oder LiMn2O4.

Das Innere eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist völlig wasserfrei (Gehalt an H2O < 20 ppm), an etwaigen Beschädigungen eindringendes Wasser reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Brand- und Verpuffungsgefahr. Der Elektrolyt besteht aus aprotischen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan und gelösten Lithiumsalzen wie LiPF6.

An Materialien werden unter anderen folgende verwendet:

Negative Elektrode (Anode)
  • Graphit (Interkalation von Lithium)
  • nanokristallines, amorphes Silizium (Interkalation von Lithium)
  • Li4Ti5O12 (Lithium-Titanat-Akku)
  • SnO2 Zinndioxid
Elektrolyt
Positive Elektrode (Kathode)

Reaktionsgleichungen[Bearbeiten]

Negative Elektrode (Entladen):

\mathrm{Li}_x\mathrm{C}_n \rightarrow\ n\,\mathrm{C} + x\,\mathrm{Li}^+ + x\,\mathrm{e}^-

Positive Elektrode (Entladen):

\mathrm{Li}_{1-x}\mathrm{Mn_2O_4} + x\,\mathrm{Li}^+ + x\,\mathrm{e}^- \rightarrow\ \mathrm{LiMn_2O_4}

Redox-Gleichung:

\mathrm{Li}_{1-x}\mathrm{Mn_2O_4 + Li}_x\mathrm{C}_n \rightarrow\ \mathrm{LiMn_2O_4} + n\,\mathrm{C}

Metallisches Lithium kommt in keiner Reaktion vor, jedoch sind es, mit Ausnahme des Lithium-Titanat-Akkus, Lithium-Atome, nicht -Ionen, die an der negativen Elektrode in das Elektrodenmaterial interkaliert werden.

Herstellung[Bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind besonders wegen des „Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität“ der Bundesrepublik in den Blickpunkt der Öffentlichkeit gelangt. Es werden von den Hochschulen und der Industrie große Anstrengungen unternommen, um möglichst rasch die vielfältigen Probleme zukünftiger „Autobatterien“ zu lösen. Im Rahmen der Messe „productronica 2011“ in München wurde dazu eine Sonderschau „Batteriefertigung“ gezeigt, die in enger Zusammenarbeit mit dem Fachverband Productronic im VDMA, der RWTH Aachen, dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie und führenden Unternehmen gestaltet wurde. Ein Film dieser Sonderschau, der die Fertigung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren von der Beschichtung des Elektrodenmaterials bis hin zum fertigen Modul zeigt, wurde von der Fachzeitschrift „Elektronikpraxis“ ins Internet gestellt.[22]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher (Ragone-Diagramm)

Da Lithium-Ionen-Akkumulator der Oberbegriff für eine Vielzahl an möglichen Kombinationen von Materialien für Anode, Kathode und Separator darstellt, ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen zu treffen. Je nach Materialkombination unterscheiden sich die Eigenschaften teilweise deutlich. Hinzu kommt die fortwährende Verbesserung durch die Batteriehersteller, die in den letzten Jahren insbesondere auf den bekannten Problemfeldern wie Haltbarkeit und Sicherheit erhebliche Verbesserungen erzielen konnten, während die Energiedichte nur in vergleichsweise geringem Umfang erhöht wurde.[23]

Kein Memory-Effekt
Bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen wurde eine Anomalie im Verlauf der Entladespannungskurve entdeckt, die von ihren Entdeckern als „Memory-Effekt“ bezeichnet wird. Dieser Effekt ist jedoch nicht mit dem allgemein bekannten Memory-Effekt bei NiCd- und NiMH-Akkumulatoren vergleichbar und hat für den Anwender keine direkten negativen Auswirkungen.[24]
Selbstentladung
siehe Hinweise zum Umgang mit Li-Ionen-Akkus, Unterpunkt Lagerung /Selbstentladung.
Lebensdauer
Lithium-Ionen-Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung, wobei eine vollständige Ladung und Entladung als Zyklus bezeichnet wird, als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit (kalendarische Lebensdauer). Insbesondere die Mehrheit der in Endverbrauchergeräten verbauten Lithium-Ionen-Akkus der ersten Generationen hatte nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnte der Nutzer schon nach einem Jahr erheblichen Kapazitätsverlust feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithium-Ionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade- und Entladezyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall. Als Grund hierfür werden in der Regel parasitäre unumkehrbare chemische Reaktionen genannt.[25]
Bei aktuellen Lithium-Ionen-Akkus liegt die kalendarische Lebensdauer deutlich höher, so dass inzwischen meist die Zyklenhaltbarkeit entscheidet, wie lange der Akku verwendet werden kann.
Die Zyklenlebensdauer ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur, und von der Art der Nutzung des Akkus, insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme. Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklenhaltbarkeit drastisch, weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte. Niedrige Temperaturen während des Betriebs, nicht jedoch während der Lagerung, sind ebenfalls schädlich. Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark überproportional verbessert, das heißt, dass ein Lithium-Ionen-Akku, von dem statt 100% nur 50% der maximalen Kapazität entladen und dann wieder geladen werden, die mehr als doppelte Zyklenzahl durchhält. Der Grund hierfür ist, dass bei vollständig entladenem und vollständig geladenem Akku hohe Belastungen für die Elektroden entstehen. Optimalerweise werden bei solchen seicht zyklierten Akkus sowohl die Ladeschlussspannung reduziert als auch die Entladeschlussspannung erhöht. Ebenso erhöhen starke Lade- und Entladeströme die mechanischen und thermischen Belastungen und wirken sich so negativ auf die Zyklenzahl aus.[26]
Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Li-Ion-Akkus mit längerer Haltbarkeit verkauft. Apple gibt für die in die MacBooks eingebauten Akkus beispielsweise an, dass nach fünf Jahren und 1000 Zyklen immer noch 80 % der Anfangskapazität zur Verfügung stehen.[27] Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen (meist LiCoO2-Akkus) gelernten Anwendungsregeln (Betrieb und Lagerung bei möglichst tiefer Temperatur; Lagerung nur im teilgeladenen Zustand; generell weder ganz geladen noch ganz entladen) dürfte die mit den genannten moderneren Akkus tatsächlich erzielbare Zyklenzahl noch deutlich höher ausfallen.
Es gibt bereits Zellen für Spezialanwendungen, die auch nach mehreren Jahren im Einsatz und mehreren 10.000 Lade- und Entladezyklen nur einen sehr geringen Teil ihrer Kapazität und Leistung verlieren.[28][29]
Coulomb-Wirkungsgrad
Der Coulomb-Wirkungsgrad bzw. die Coulomb-Effizienz beträgt typischerweise annähernd 100 %,[29] das heißt, fast die gesamte in den Akkumulator geflossene Ladung kann diesem auch wieder entnommen werden. Nur während der ersten Zyklen ist die Coulomb-Effizienz geringer, da ein Teil der Li-Ionen mit der Elektrolytlösung an der Anode und Kathode irreversibel unter Ausbildung von Deckschichten reagiert.[30]
Energie-Effizienz
Es kommt – wie bei jedem Akkumulator – zu Energieverlusten durch den Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen. Typische Gesamtwirkungsgrade früher Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren (vor 2006) betrugen um die 90 %.[29] Werden im Verhältnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkumulators kleine Lade- und Entladeströme verwendet, können auch über 98 % erreicht werden.
Material Spannung
LiCoO2 3,6 V
LiMnO2 3,7–3,8 V
LiFePO4 3,3 V
Li2FePO4F 3,6 V
Spannung
Ein konventioneller LiCoO2-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators (NiMH-Akku) ist. Die Ladeschlussspannung liegt bei bis zu 4,3 Volt. Die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt; eine Tiefentladung führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Die Zellenspannung hängt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab und ist daher von Akkutyp zu Akkutyp leicht unterschiedlich.[31]
Material Gravimetrische
Kapazität
LiCoO2 110–190 mAh/g
LiMnO2 110–120 mAh/g
Li2FePO4F 95–140 mAh/g
Leistungsdichte
Die Leistungsdichte liegt typischerweise bei 300–1500 W/kg.[32]


Energiedichte
Die Energiedichte ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und liegt bei 95–190 Wh/kg, beziehungsweise 250–500 Wh/l, je nach verwendeten Materialien. Anwendungen, die eine besonders lange Lebensdauer benötigen, beispielsweise der Einsatz in Elektroautos, laden und entladen den Lithium-Ionen-Akku oft nur teilweise (z. B. von 30 bis 80 % statt von 0 bis 100 %), was die Zahl der möglichen Lade- und Entladezyklen überproportional erhöht, aber die nutzbare Energiedichte entsprechend absenkt.[31]

Hinweise zum Umgang mit Li-Ionen-Akkus[Bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akku von VARTA

Wegen der Vielzahl an möglichen Materialien für Anode, Kathode und Separator ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen für Lithiumionakkus zu treffen. Die verschiedenen Arten werden von den Herstellern für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten optimiert und unterscheiden sich im Umgang teilweise sehr stark.

Ladung
Die Ladeschlussspannung beträgt typischerweise 4,0–4,2 V, teils auch 4,35 V [33], was etwas höhere Kapazitäten ermöglicht, aber auf Kosten einer reduzierten Zykluszahl. Da Li-Ion-Akkus keinen Memory-Effekt kennen und auch nicht formiert werden müssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Zuerst mit einem konstanten Strom, der bei den meisten handelsüblichen Zellen 0,6 bis 1 C nicht übersteigen darf. Schnellladefähige Zellen vertragen je nach Typ aber auch 2 C, 4 C oder gar 8 C.[34] Die Abkürzung C steht hier für den auf die Kapazität bezogenen relativen Ladestrom (d. h. A/Ah)[35] und ist nicht mit der Einheit Coulomb (d. h. As) zu verwechseln; ein Ladestrom von 0,75 C bedeutet, dass ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah mit 0,75 A geladen wird. Generell ist es möglich, Li-Ion-Akkus mit einem geringeren Ladestrom als dem Nennstrom zu laden; meist erhöht sich dadurch auch die erreichbare Zyklenzahl etwas.
Erreicht der Akkumulator die Ladeschlussspannung von z. B. 4,2 V, wird diese Spannung gehalten. Der Ladestrom sinkt dann mit der Zeit immer weiter ab, je voller der Akkumulator wird. Sobald der Strom einen bestimmten Wert (z. B. C/10 oder gar nur 3 Prozent des anfänglichen Stroms) unterschreitet oder er über einen längeren Zeitraum nicht mehr sinkt, wird die Ladung beendet.[31] Die Ladeschlussspannung von produktabhängig 4,1 V bis 4,3 V darf allenfalls mit einer geringen Toleranz (z. B. 50 mV) überschritten werden. Die Verwendung einer etwas niedrigeren Ladeschlussspannung ist hingegen unkritisch. Einer gewissen Verringerung der Kapazität steht meist eine deutliche Erhöhung der Zahl der nutzbaren Lade- und Entladezyklen gegenüber.
Entladung
Die Spannung des Li-Ion-Akkus sinkt während der Entladung zunächst recht schnell von der erreichten Ladeschlussspannung auf die Nennspannung (ca. 3,6 bis 3,7 V) ab, sinkt dann aber während eines langen Zeitraums kaum weiter ab. Erst kurz vor der vollständigen Entladung beginnt die Zellenspannung wieder stark zu sinken.[36] Die Entladeschlussspannung beträgt je nach Zellentyp um die 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden, sonst wird die Zelle durch irreversible chemische Vorgänge zerstört. Viele Elektronikgeräte schalten aber schon bei deutlich höheren Spannungen, z. B. 3,0 V, ab.
Es ist empfehlenswert, Li-Ionen-Akkus „flach“ zu (ent-)laden, da sich deren Lebensdauer so verlängert. Wenn ein Li-Ionen-Akku immer von 100 % Ladezustand auf 0 % entladen wird, bevor er wieder geladen wird, erreicht er nur die minimale Zykluszahl. Besser ist es, je nach Typ, z. B. 70 % Entladetiefe anzuwenden. Dies bedeutet, dass der Akku noch 30 % Restkapazität enthält, wenn er wieder geladen wird. Einige Hersteller geben die Zyklenlebensdauer in Abhängigkeit von der Entladetiefe (engl. Depth of discharge, DOD) an.[37]
Generell gilt, dass hohe Entladeströme sowohl die Nennkapazität eines Akkus senken, da dank des höheren Spannungsabfalls am Innenwiderstand die Entladeschlussspannung früher erreicht wird, als auch die Zyklenzahl aufgrund der höheren mechanischen und thermischen Belastung reduzieren. In früheren Veröffentlichungen wird noch auf einen optimalen Entladestrom von 0,2 C (das heißt einem Entladestrom in Höhe von einem Fünftel des Nominalwerts der Nennkapazität in Ah) hingewiesen. Bei einem Akku mit einer Kapazität von 5 Ah wären dies 1 A.[38]
Lagerung /Selbstentladung
Der Akku altert schneller, je höher seine Zellenspannung ist, daher ist es zu vermeiden, einen Li-Ion-Akku ständig 100 Prozent geladen zu halten. Der Ladezustand sollte 55–75 % betragen, kühle Lagerung ist vorteilhaft. Ältere Quellen nennen eine Selbstentladung bei 5 ° Celsius von etwa 1–2 % pro Monat, bei 20 ° Celsius etwa 30 % pro Monat.[39] Aktuelle Angaben geben eine Selbstentladung von 3 %/Monat auch bei Zimmertemperatur an.[37] Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 °C bei einem Ladestand von 60 % – ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung. Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 55–75 % nachgeladen werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren dürfen sich auch bei Lagerung nicht unter 2,5 V pro Zelle entladen. Eventuell flüssige oder gelförmige Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um −25 °C entspricht.
Beförderung/Transport
Für die Beförderung von Lithium-Akkumulatoren/-Batterien gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser-Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften:
  • die „Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter – Handbuch über Prüfungen und Kriterien (PDF; 4,9 MB)“ (UN 38.3 – Transport-Test für Lithiumbatterien Lithium-Akkumulatoren/-Batterien),
  • das Gesetz über die Beförderung gefährlicher Güter (GGBefG),
  • die „Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt“ (GGVSEB),
  • das „Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (ADR). Die Übergangsvorschrift gem. 1.6.1.20 ADR findet Anwendung.
Für den DHL-Versand von Artikeln, die Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Batterien enthalten gilt die Vorschrift (PDF-Datei)[40] für die Beförderung von gefährlichen Stoffen und Gegenständen.
Der Versand der Pakete erfolgt mit einer deutlich sichtbaren Kennzeichnung (Begleitdokumentation als Aufkleber) gemäß Kapitel 3.3 der Sondervorschrift 188 des Europäischen Übereinkommens über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR).
Der Aufkleber enthält Hinweise über / darüber
  • das Vorhandensein von Lithium-Ionen Zellen bzw. Batterien,
  • dass die Sendung besonders sorgsam zu behandeln ist,
  • dass bei Beschädigung Entzündungsgefahr besteht,
  • dass bei Beschädigung der Verpackung das Paket vor dem weiteren Transport neu zu verpacken, sowie die Kurzschlusssicherung der Zellen zu überprüfen und neu vorzunehmen ist.
(Integrierte) Elektronik
Li-Ion-Akkus reagieren sehr empfindlich auf falsche Behandlung, weshalb dieser Akkutyp zuerst nicht eingesetzt wurde, obwohl er bereits seit den 1980er-Jahren bekannt war.[41] Integrierte Schaltkreise sind sehr preisgünstig geworden; daher können Li-Ion-Akkus heute in Verbindung mit einer Elektronik (BMS = Batteriemanagementsystem) betrieben werden, was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp erheblich erhöht hat. Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugröße ist diese Elektronik meist integriert; sie dient zum Schutz gegen Tiefentladung, Überladung und thermische Überlastung. Eine selbstrückstellende Sicherung verhindert Überstrom beziehungsweise Kurzschluss. Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps abgestimmt. Akku-Packs, in denen zur Spannungserhöhung mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, verfügen oft auch über eine Elektronik, die durch sog. „Cell-Balancing“ den Ladezustand aller Zellen in einem Pack aneinander angleicht.[42][43] Insbesondere muss die Ladung beendet bzw. zumindest der Ladestrom reduziert werden, wenn die erste Zelle die Maximalspannung überschreitet, und die Entladung, wenn die erste Zelle die Minimalspannung unterschreitet.
Überladung
Bei einem Überladungsversuch wird bei einem Akku mit integrierter Überwachungselektronik die Zelle von den äußeren Kontakten getrennt, bis die zu hohe Spannung nicht mehr anliegt. Danach kann er meist ohne Probleme wieder verwendet werden. Nicht alle auf dem Markt erhältlichen Akkus enthalten eine solche Überwachungselektronik. Bei Überladung verschiedener Li-Ion-Akkus kann sich metallisches Lithium an der Anode ablagern und/oder es wird Sauerstoff aus der Kathode freigesetzt. Letzterer gast bestenfalls durch ein Sicherheitsventil aus, oder reagiert mit Elektrolyt oder Anode. Dadurch heizt sich der Akkumulator auf und kann sogar in Brand geraten.[31] Andere Lithium-Ionen-Akkus, wie der LiFePO4-Akku sind thermisch stabil, werden aber bei Überladung ebenfalls irreversibel geschädigt.
Tiefentladung
Bei einer Tiefentladung von Zellen schaltet eine eventuell vorhandene interne Sicherung oder ein BMS den Akku, meist nur temporär, ab. Es liegt dann an den externen Kontakten des Akkupacks überhaupt keine Spannung mehr an, das heißt er kann nicht noch weiter entladen werden. Manche Ladegeräte weigern sich, einen derartig defekt anmutenden Akkumulator wieder zu laden, da in diesem Fall an den externen Kontakten keine Spannung messbar ist. Der Akku wird jedoch von seiner Schutzelektronik meist wieder an die Kontakte geschaltet, sobald eine äußere Spannung anliegt. In solchen Fällen kann es helfen, ein anderes Ladegerät zu verwenden. Wenn eine Zelle auf unter 1,5 V entladen wurde, sollte sie nicht mehr verwendet werden, denn mit hoher Wahrscheinlichkeit haben sich Brücken ausgebildet, die zu einem Kurzschluss führen. Die Zelle wird instabil und erhitzt sich stark. Es kann Brandgefahr bestehen.
Ladegeräte
Herkömmliche Li-Ionen-Akkus dürfen nur mit einer speziellen Ladeschaltung geladen werden. Die Elektronik steuert den ladungsabhängigen Ladestrom und überwacht insbesondere die exakt einzuhaltende Ladeschlussspannung. Auch bei vorhandener interner Schutzschaltung sollte nur mit passenden Geräten geladen werden. Schnell-Ladegeräte sollten immer unter Aufsicht und möglichst nicht in der Nähe brennbarer Materialien benutzt werden.
Betriebs- und Umgebungstemperatur
Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkumulators bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich auch beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, womit die abgebbare Leistung sinkt. Zudem können evtl. die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um −25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0–40 °C an. Optimal sind für viele Zellen aber 18–25 °C. Unter 10 °C kann bei manchen Arten durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange für den Betrieb eines Camcorders oder einer Digitalkamera ausreicht. Es gibt aber Li-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis −54 °C eingesetzt werden können.

Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus[Bearbeiten]

Bei verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen oder polymeren Elektrolyten kann es ohne spezielle Schutzmassnahmen zum thermischen Durchgehen kommen. Mit der steigenden Verwendung vor allem preiswerter Akkus mehren sich Meldungen von Überhitzungen. Dies führt zu kostspieligen Rückrufaktionen der Hersteller.[44] Im Automobilbau kommt es durch besonders hohe Sicherheitsanforderungen auf Grund der hohen installierten Energiemengen teilweise zu Verzögerungen beim Einsatz. So verschob Opel die Auslieferung des Ampera, als drei Wochen nach einem Crashtest eines baugleichen Chevrolet Volt die versuchsweise nicht ausgebaute, voll geladene Batterie überhitzte und zum Fahrzeugbrand führte.[45] Daraufhin wurde das Sicherheitskonzept der Traktionsbatterie überarbeitet.[46] In arbeitswissenschaftlichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Umgang mit leistungsstarken Energiespeichern auf Lithium-Basis, d. h. deren Fertigung, Einbau, Lagerung, Entsorgung sowie bestimmte Betriebszustände nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitsschutz hat. Die Gefahren durch höhere Spannungen und zusätzliche Gefahrstoffe (z. B. Lithium) können durch Anpassung und konsequente Umsetzung bestehender Sicherheitsanforderungen minimiert werden.[47]

Folgende Risiken sind bekannt:

Mechanische Belastung
Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Die hohen fließenden Ströme führen zur Erhitzung des Akkumulators. Gehäuse aus Kunststoff können schmelzen und entflammen. Unter Umständen ist ein mechanischer Defekt nicht unmittelbar zu erkennen. Auch längere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen. Ebenso kann durch äußere Beschädigung Luft und insbesondere Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen und chemische Reaktionen hervorrufen.
Chemische Reaktionen
Lithium ist ein hochreaktives Metall.[48] Zwar liegt es in Lithiumbatterien nur als chemische Verbindung vor, allerdings sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus oft leicht brennbar. Ausgleichsreaktionen beim Überladen, zum Beispiel die Zersetzung von Wasser zu Knallgas wie bei anderen Akkus, sind nicht möglich. Li-Ionen-Akkus sind hermetisch gekapselt. Dennoch sollten sie nicht in Wasser getaucht werden, insbesondere in voll geladenem Zustand. Brennende Akkus dürfen daher nicht mit Wasser, sondern sollten zum Beispiel mit Sand gelöscht werden. In den meisten Fällen besteht im Falle eines Brandes lediglich die Möglichkeit, auftretende Folgebrände zu löschen und den Akkumulator kontrolliert abbrennen zu lassen. Die Elektrolytlösung ist meist brennbar. Ausgelaufene Elektrolytlösung eines Li-Ionen-Akkus kann fern vom Akku mit Wasser abgewaschen werden.

Neuere Erkenntnisse im Umgang mit diesen Batterien zeigen, das die positiven Auswirkung des (Lösch-)Wassers die negativen Aspekte deutlich auf- und überwiegen. Die für die amerikanischen Feuerwehren zuständige Behörde NFPA sowie auch die einschlägige Feuerwehrliteratur in Europa weist in neueren Ausgaben zur Behandlung von verunfallten Elektrofahrzeugen die Verwendung einer großen Menge Wassers als primäre Strategie aus. Es wird allerdings explizit darauf hingewiesen, das Löschversuche im Allgemeinen nicht direkt zum Erfolg führen. Wenn die Zelle sich bzw. ihre Elektrodenmaterialien thermisch zersetzt, so entsteht der zur weiteren exothermen Reaktion nötige Sauerstoff im Inneren der Zelle. Die exotherme Zersetzung lässt sich daher nicht stoppen (Thermal runaway). Durch den Einsatz von großen Mengen Wasser werden jedoch benachbarte Zellen soweit abgekühlt, dass diese sich in der Folge nicht ebenso zersetzen. Außerdem werden große Anteile der freiwerdenden gefährlichen Stoffe durch das Wasser gebunden und/oder auf ein unkritisches Lösungsniveau verdünnt.

Thermische Belastung, Brandgefahr
Bei thermischer Belastung kann es bei verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus (→Lithium-Polymer-Akkumulator) zum Schmelzen des Separators und damit zu einem inneren Kurzschluss mit schlagartiger Energiefreisetzung (Erhitzung, Entflammung) kommen. Ein weitere Gefahr geht von exothermen Zersetzungsreaktionen der Zellchemikalien bei Überlastung, insbesondere beim Laden aus. Neuartige keramische, temperaturbeständigere Separatoren gewähren eine erhöhte Sicherheit. Ebenso können alternative Zellchemikalien eingesetzt werden, die thermisch stabiler sind oder deren Zersetzung nicht exotherm abläuft(LiFePO4, Nano-Li2TiO3).

In der Zelle selbst gibt es verschiedene Schutzvorrichtungen, die den Umgang mit den Zellen sehr sicher machen. Zum Beispiel werden sogenannte „Shut-Down-Separatoren“ eingesetzt, die den Effekt des Aufschmelzens gezielt ausnutzen und sich von einem porösen Kunststoff zu einer für den weiteren Ionenaustausch undurchlässigen Folie wandeln. Weitere, unmittelbar in die Zelle integrierte Schutzmaßnahmen betreffen die elektrische Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem äußeren Zellanschluss. Die Verbindung kann so ausgeführt werden, dass sie wie eine Schmelzsicherung wirkt und zusätzlich beim Öffnen etwaiger Berstöffnungen abgerissen wird. Diese zellinternen Schutzmechanismen sind jedoch in der Regel irreversibel ausgeführt. Neben den zellinternen Schutzvorrichtungen gibt es in innerhalb moderner Batterien meist weitere elektronische Schutzschaltungen. Deren Funktionen reichen von komplexen Batteriemanagementsystemen (BMS) mit Temperatursensoren, Ladeelektronik, Batteriezustandsüberwachung und externen Kommunikationsanschlüssen (smart batteries) bis zu einfachen zumeist reversibel wirkenden Sicherheitsschaltungen, die lediglich die Überladung oder Überlastung der Batterie verhindern sollen.

Li-Ionen-Akkus dürfen, wie andere Akkumulatoren auch, nicht kurzgeschlossen werden. Durch Kurzschluss (auch mit Metallschmuck oder Werkzeugen) können durch die hohen Ausgleichströme Feuer oder Verbrennungen verursacht werden.

Entwicklungen[Bearbeiten]

Im April 2006 schrieb eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, einen Prozess entwickelt zu haben, der für die Herstellung von Nanometer-großen Drähten Viren verwendet. Damit können ultradünne Lithium-Ionen-Akkus mit höherer Energiedichte hergestellt werden.[49]

Im Juni 2006 stellten Forscher aus Frankreich Akku-Elektroden in Nanometer-Größe her, die ein Mehrfaches der Energiedichte im Vergleich zu gewöhnlichen Elektroden besaßen.[50]

Im September 2006 berichteten Forscher der Universität Waterloo in Kanada in der Zeitschrift Nature von einem neuen Kathodenmaterial, bei dem die Hydroxid-Gruppe der Eisenphosphat-Kathode durch Fluorid ersetzt wurde. Dies hat einen doppelten Vorteil: Erstens ergibt sich während eines Ladungszyklus eine geringere Volumenänderung in der Kathode, was eine längere Lebensdauer erwarten lässt. Zweitens erlaubt es den Ersatz des Lithiums durch Natrium beziehungsweise eine Natrium-Lithium-Mischung, weswegen er auch als Alkali-Ionen-Akku bezeichnet wird.[51]

Im Dezember 2007 berichteten Forscher der Stanford University von einem neuen Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus mit dem zehnfachen der bisher erreichten Energiedichte. Sie verwendeten dazu Silizium-Nanodrähte auf rostfreiem Stahl.[52] Es wird die Tatsache genutzt, dass Silizium als Trägermaterial größere Mengen Lithium einlagern kann als Graphit; die geringe Größe der Drähte löst das Problem des Aufbrechens der Anode. Allerdings ist die Anode nur ein Teil des Akkumulators; bei unveränderter Kathode, Separator und Elektrolyt ist entsprechend nur eine deutlich geringere Gesamtsteigerung der Energiedichte zu erwarten.[53] Einen ähnlichen Ansatz mit nanoporösem Silicium[54] verfolgt das Team von Jaephil Cho von der Hanyang University in Ansan, Südkorea.

Am 12. März 2009 wurde eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus durch die beiden MIT-Forscher Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder veröffentlicht, die sowohl die Lade- als auch die Entladezeit auf 10 Sekunden statt 6 Minuten für einen kleinen Test-Akku reduziert.[55]

Etwa im Juni 2011 berichteten Forscher der japanischen Firma Sumitomo Electric Industries, dass für den Fall, dass der Ableiter der Kathode, welcher üblicherweise aus Aluminiumfolie besteht, durch den Werkstoff Aluminium-Celmet ersetzt werden würde, dies eine Erhöhung der Akkumulator-Energiedichte um einen Faktor von 1,5 bis 3 ermöglicht.[56]

Ausführungsformen[Bearbeiten]

Lithium-Polymer-Akkumulator[Bearbeiten]

Hauptartikel: Lithium-Polymer-Akkumulator

Wie beim Lithium-Ionen-Akku mit Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO2) als Elektrodenmaterial besteht die negative Elektrode aus Graphit, die positive aus Lithium-Metalloxid. Jedoch enthalten Lithium-Polymer-Akkus keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige Folie vorliegt. Daher ist der Lithium-Polymer-Akkumulator als spezielle Bauform zu betrachten, nicht als eigenständige Zellchemie. Die äußere Form der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen.

Lithiumtitanat-Akkumulator[Bearbeiten]

Der Lithiumtitanat-Akkumulator ist eine Unterkategorie des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei der die herkömmliche Graphitanode durch eine gesinterte Anode aus Lithiumtitanspinell (Li4Ti5O12) ersetzt wird. Die wesentlich stärkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht auf der Elektrode, die eine der Hauptgründe für die schnelle Alterung vieler herkömmlicher Li-Ion-Akkus ist. Dadurch wird die Zahl der möglichen Ladezyklen erhöht. Dadurch, dass das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann, wird auch das thermische Durchgehen des Akkumulators verhindert, selbst bei mechanischen Schäden. Außerdem kann der Akkumulator aufgrund der Lithiumtitanat-Anode im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von −40 bis +55 °C betrieben werden.

Die gesinterte Lithiumtitanat-Anode besitzt eine effektiv wirksame Oberfläche von 100 m2 pro Gramm im Vergleich zu 3 m2 pro Gramm einer Graphitelektrode.[57] Dadurch können höhere Ladeströme eingesetzt werden und es werden kurze Ladezeiten und eine hohe Leistungsdichte von etwa 4 kW/kg erreicht. Die Energiedichte liegt mit 70–90 Wh/kg hingegen vergleichsweise niedrig.

Unter dem Handelsnamen Super Charge Ion Battery (SCiB) wird von der Firma Toshiba ein Lithiumtitanat-Akkumulator für Elektroräder angeboten.[58]

Lithium-Mangan-Akkumulator[Bearbeiten]

Beim Lithium-Mangan-Akkumulator wird Lithium-Manganoxid als Aktivmaterial in der Kathode eingesetzt. Die Anode besteht entweder aus herkömmlichem Graphit (Hochenergiezellen) oder aus einer amorphen Kohlenstoffstruktur (amorphous carbon, in Hochleistungszellen). Durch die größere Anodenoberfläche ergibt sich eine verbesserte Hochstromfestigkeit. Die Zellen werden derzeit (2012) sowohl in Pedelecs und E-Bikes verschiedener Hersteller (u.a. vom Schweizer Pedelec-Hersteller Flyer[59][60]), als auch in Hybridelektrokraftfahrzeugen (Bsp.: Nissan Fuga Hybrid, Infinity Mh) und Elektroautos (Bsp.: Nissan Leaf) eingesetzt. Großformatige Zellen für Traktionsbatterien fertigt beispielsweise AESC für Nissan.

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator[Bearbeiten]

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4-Akkumulator) ist eine Version des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herkömmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, eine sehr gute Temperaturstabilität und eine lange Lebensdauer aus. Die Nominalspannung beträgt 3,2 V beziehungsweise 3,3 V, die Energiedichte beträgt 100–120 Wh/kg, die Leistungsdichte etwa 1,8 kW/kg.

Weiterentwicklungen zur Verbesserung der technischen Eigenschaften sind Dotierungen mit Yttrium- (LiFeYPO4) und Schwefelatomen.

Lithium-Luft-Akkumulator[Bearbeiten]

Hauptartikel: Lithium-Luft-Akkumulator

Der Lithium-Luft-Akkumulator ist eine in Forschung und Entwicklung befindliche Ausführung eines wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulators mit einer Zellspannung von 2,91 V, bei der die positive, aus porösem Kohlenstoff ausgeführte Elektrode Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion benötigt. Dieser Akkumulator weist theoretisch eine sehr hohe spezifische Energiedichte auf, stößt aber auf technische Schwierigkeiten bei der Umsetzung, weshalb mit Stand 2013 keine Akkumulatoren dieses Typs am Markt verfügbar sind.[61]

Lithium-Luft-Akkumulatoren können auch mit festen Elektrolyten ausgeführt werden und zählen dann zu der Gruppe der Festkörperakkumulatoren.

Spezielle Lithium-Ionen-Akkumulator Bauweisen[Bearbeiten]

Potentiale in Abhängigkeit der eingesetzten Kathoden- und Anoden-Aktivmaterialien

Es stehen zahlreiche Materialkombinationen zur Speicherung von Lithium-Ionen zur Verfügung. Die chemischen Speichermaterialien verändern die Eigenschaften des Akkumulators entscheidend, so dass diese zur Einstellung auf spezielle Anforderungen genutzt werden können. Die Abbildung zeigt zahlreiche Kathoden- und Anodenmaterialien in einer Gegenüberstellung und weist den Potentialunterschied der Materialien aus.

Durch die zusätzliche Verwendung unterschiedlicher, spezieller Separatoren (z. B. Keramikseparatoren)[62], Elektrolyte (z. B. Ionische Flüssigkeiten) und Verpackungsmaterialien können weitere Eigenschaften des Akkumulators eingestellt werden, so dass diese auch extremen Anforderungen gerecht werden können.

Als besondere Anforderungen an Lithium-Ionen-Akkumulatoren gelten:

  • Hoch- und Niedrigtemperaturfestigkeit
  • Strahlungstoleranz (z. B. Gammastrahlung in der Luft- und Raumfahrt)
  • Hoch- und Niederdruckfestigkeit (bis Grobvakuum)
  • Spezielle Formfaktoren für Folienkörper oder Anschlusspole
  • Schockresistenz
  • Amagnetismus
  • Maximierung von Energiedichte oder Leistungsdichte
  • Schnellladefähigkeit
  • Eigensicherheit
  • Biegeflexibilität
Sechseckiger Akkumulator für ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug

Obwohl diese Möglichkeiten bestehen, stützt sich die industrielle Massenfertigung auf die Verwendung von etablierten Speichermaterialien, wie z. B. Lithium-Cobalt(III)-oxid und Graphit. Nur wenige Spezialhersteller wie z. B. das deutsche Unternehmen Custom Cells Itzehoe GmbH und das amerikanische Unternehmen Yardney Technical Products Inc. bieten Sonderlösungen an. Nebenstehende Abbildung zeigt einen Akkumulator, der in seiner Energiedichte, Druckresistenz und ungewöhnlichen Formgebung (sechseckig) für den Einsatz in einem Autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV)) optimiert wurde.[63][64]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
  •  David Linden: Handbook of Batteries. 3. Auflage. Mcgraw-Hill, New York 2008, ISBN 978-0-0713-5978-8.
  • J. O. Besenhard: Handbook of Battery Materials. Wiley-VCH, Weinheim 1999, ISBN 3-527-29469-4.
  • Masaki Yoshido (Hrsg.): Lithium-Ion Batteries. Science and Technologies. Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-34444-7.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Lithium-Ionen-Akkumulatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Der Duden in 12 Bänden. Duden 06: Max Mangold, Das Aussprachewörterbuch, 6. Auflage, 2005, ISBN 3-411-04066-1, S. 514
  2. Lithium-Ionen-Akku.
  3. Markus Pflegerl: Zinn-Schwefel-Li-Ionen-Akku: Stärker, langlebiger und sicherer. In: wattgehtab.com. 15. März 2010.
  4. J. O. Besenhard and H. P. Fritz: Cathodic Reduction of Graphite in Organic Solutions of Alkali and NR 4+ Salts, J. Electroanal. Chem., 53, 329 (1974).
  5. J. O. Besenhard: The Electrochemical Preparation and Properties of Ionic Alkali Metal and NR 4+ Graphite Intercalation Compounds in Organic Electrolytes, Carbon, 14, 111 (1976).
  6. R. Schallhorn, R. Kuhlmann, and J. O. Besenhard: Topotactic Redox Reactions and Ion Exchange of Layered MoO3 Bronzes,, Mat. Res. Bull., 11, 83 (1976).
  7. J. O. Besenhard and R. Schallhorn: The Discharge Reaction Mechanism of the MoO3 Electrode in Organic Electrolytes” J. Power Sources, 1, 267 (1976/77)
  8. J. O. Besenhard and G. Eichinger: High Energy Density Lithium Cells. Part I. Electrolytes and Anodes, J. Electroanal. Chem., 68, 1 (1976); and G. Eichinger.
  9. J.O. Besenhard, High Energy Density Lithium Cells. Part II. Cathodes and Complete Cells, J. Electroanal. Chem., 72, 1 (1976).
  10. K. Mizushima, P.C. Jones, P.J. Wiseman, J.B. Goodenough: LixCoO2 (0<x<l): A NEW CATHODE MATERIAL FOR BATTERIES OF HIGH ENERGY DENSITY. In: Materials Research Bulletin. 15, 1980, S. 783–789.
  11. Patent DD290979: Galvanisches Element. Angemeldet am 10. November 1989, Erfinder: Peter Busch.
  12. WebShop: Akku für Sony CCD Tr1, eingefügt 4. März 2012
  13. Geschichte der Elektrowerkzeuge, auf Elektrowerkzeug-Vergleich.de
  14. mue: Memory-Effekt bei Lithium-Ionen-Akkus, in heise.de, Datum: 15. April 2013, Abgerufen: 19. April 2013
  15. Heindl Server GmbH: 36MWh Lithiumspeicher fertig gestellt. solarserver.de, 2. Januar 2012, abgerufen am 28. Juni 2014 (deutsch).
  16. Herman K. Trabish: Southern California Edison’s 8MW Li-Ion Battery for Wind Power Storage. Greentech Media, Inc., 21. Februar 2012, abgerufen am 14. März 2014 (englisch).
  17. LG Chem Ltd : LG Chem to Power North America’s Largest Battery Energy Storage System. 4-Traders, 4. Juni 2013, abgerufen am 14. März 2014 (englisch).
  18. Ken Graber: Electrovaya Delivers 1.5 MWh Lithium Ion Battery-Based Energy Storage System to Arizona Public Service Company. Electrovaya Inc., abgerufen am 14. März 2014 (pdf).
  19. Ken Graber: Electrovaya Delivers 1.5 MWh Lithium Ion Battery-Based Energy Storage System to Arizona Public Service Company. Electrovaya Inc., abgerufen am 14. März 2014.
  20. dpa: Europas größter Batteriepark wächst: Transformatoren angeliefert. t-online.de, 11. März 2014, abgerufen am 14. März 2014 (deutsch).
  21. M Wohlfahrt-Mehrens, C Vogler, J Garche, Aging mechanisms of lithium cathode materials, Journal of Power Sources, Volume 127, Issues 1–2, 10 March 2004, Pages 58-64, doi:10.1016/j.jpowsour.2003.09.034
  22. productronica-Sonderschau „Batteriefertigung“ als Publikumsmagnet. elektronikpraxis.vogel.de. 30. November 2011. Abgerufen am 17. Dezember 2011.
  23. Isidor Buchmann: Ist Lithium-Ion die ideale Batterie?. batteryuniversity.com. Abgerufen am 17. Dezember 2011.
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  27. Neue Macbook-Pro-Modelle mit 13 und 15 Zoll. In: golem.de. 8. Juni 2009.
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  41. Isidor Buchmann: Wann wurde die Batterie erfunden? In: Batterien-Montage-Zentrum GmbH.
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  44. Gigaset ruft Telefon-Akkus wegen Überhitzung zurück
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  46. Spiegel online 6. Januar 2012: Opel-Mutterkonzern kriegt Flammengefahr in den Griff, eingefügt 13. Februar 2012
  47. Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin 2012: Elektromobilität – Abschätzung arbeitswissenschaftlich relevanter Veränderungen,eingefügt 28. März 2012
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  49.  Ki Tae Nam u. a.: Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes. In: Science. 312, Nr. 5775, 2006, S. 885–888, doi:10.1126/science.1122716.
  50. Kevin Bullis: Higher-Capacity Lithium-Ion Batteries. In: Technology Review. 22. Juni 2006.
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  52. New Nanowire Battery Holds 10 Times The Charge Of Existing Ones. In: ScienceDaily. 20. Dezember 2007 (Meldung auf Sciencedaily.com).
  53. Interview with Dr. Cui, Inventor of Silicon Nanowire Lithium-ion Battery Breakthrough. In: GM-Volt. 21. Dezember 2007 (Interview auf der Website gm-volt.com).
  54. Peter Fairley: Realizing Lithium-Battery Potential. In: Technology Review. 3. Dezember 2008.
  55. Rainer Kayser: Der Super-Akku. In: pro-physik.de. 12. März 2009.
  56. Gernot Goppelt: „Aluminium-Celmet“ soll die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien verdreifachen Heise-Internetportal, Rubrik „Auto“, Sektion „News“, 30. Juni 2011
  57. Duncan Graham-Rowe: Charge a battery in just six minutes. In: New Scientist. 7. März 2005.
  58. Schwinn Electric Bikes. Schwinn Tailwind electric. Abgerufen am 7. Juli 2010.
  59. Flyer: Produktübersicht, aufgerufen 10. Mai 2012
  60. Flyer (NL): Abschnitt: Actieradius (Hinweis auf Verwendung der Lithium-Mangan-Technologie), aufgerufen 10. Mai 2012
  61.  G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz , S. Swanson und W. Wilcke, IBM Research (Hrsg.): Lithium−Air Battery: Promise and Challenges. American Chemical Society, The Journal of Physical Chemistry Letters, 2010, doi:10.1021/jz1005384.
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  63. http://www.iosb.fraunhofer.de/servlet/is/15048/TIETEK.pdf?command=downloadContent&filename=TIETEK.pdf
  64. http://www.chemanager-online.com/news-opinions/unternehmen/altana-und-cci-kooperieren-bei-der-entwicklung-von-energiespeichersystemen