Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator

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Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO2-Akku, ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2) als positives Elektrodenmaterial. Nahezu alle handelsüblichen Mobilgeräte verwenden Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren, üblicherweise für die kompakte Gestaltung der Zelle in der Bauform eines Lithium-Polymer-Akkumulators ausgeführt.

Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator war der erste verfügbare Lithium-Ionen-Akkumulator. Auf Grund der weiten Verbreitung dieser ersten Akkuchemie auf Lithiumbasis wird teils umgangssprachlich der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator mit dem Oberbegriff Lithium-Ionen-Akkumulator bezeichnet. Mit der Entwicklung zahlreicher verschiedener Elektrodenmaterialien mit teilweise stark unterschiedlichen Eigenschaften der Akkumulatorensysteme verliert diese Bezeichnung an Unterscheidungskraft.

Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren neigen bei Überlastung zu thermischem Durchgehen.[1]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Lithium-Cobaltdioxid-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.[2] Die positive Elektrode besteht aus der namensgebenden Substanz Lithium-Cobalt(III)-oxid. 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 Akkupack-Spannung von 7,2 V und eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Durch Parallelschaltung oder Zellvergrößerung wurden Kapazitäten bis 6900 mAh realisiert und bis heute (2012) in einer Vielzahl von Sony-Geräten eingesetzt.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die negative Elektrode eines handelsüblichen Lithium-Cobaltdioxid Akkumulators besteht aus Graphit, die positive Elektrode besteht aus Lithiumcobaltdioxid (LiCoO2) und der Elektrolyt ist ein Lithiumsalz in einer organischen Lösung. Als Ableitermaterialien werden Kupfer und Aluminium eingesetzt. [3]

Der Elektrolyt besteht aus aprotischen Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan. Der Elektrolyt muss völlig wasserfrei (Gehalt an H2O < 20 ppm) sein da sonst das Wasser mit dem Leitsalz LiPF6 zu HF (Flusssäure) reagiert.

Das Lithium selbst macht übrigens nur einen Bruchteil des verwendeten Batteriematerials aus. Gerade einmal 1 bis 1,5 % sind es, beim Rest handelt es sich um die Materialien der Kathode, der Anode oder der leitenden Kupferschichten. Neue Akkumulatoren enthalten zudem Nickel, Magnesium und/oder Aluminium um die Lebensdauer, Ladekapazität zu verbessern.

Reaktionsgleichung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Halb-Reaktion der positiven Elektrode (Lithiumcobaltdioxid Schicht) lautet: [4][5]

Die Halb-Reaktion der negativen Elektrode (Graphit Schicht) lautet:

Die volle Reaktion (Links: Laden, Rechts: Entladen) lautet:

Durch unterladen resultiert folgende irreversible Reaktion:

Bei Überladen (Zellspannung über 5,2 V) resultiert folgende Reaktion:

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Akkus von Apple (iPhone 6 plus[6]), Microsoft, Samsung und Sony sowie in Elektroautos von Daimler und Volkswagen besitzen Lithium-Cobaltdioxid als positivs Elektrode Material.[7]

Hinweise zum Umgang[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Abgebrannter Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator aus einer Boeing 787 Dreamliner

Bei mechanischen Beschädigungen und eventuell dadurch eindringendes Wasser, reagiert Lithium heftig mit diesem in einer exothermen Reaktion (starke Wärmeentwicklung) zu Lithiumhydroxid mit Freisetzung von hochentzündlichem Wasserstoff. Durch die starke Wärmeentwicklung können sich die Bestandteile der Zelle auflösen (z.B. der Separator), es kommt zum inneren Kurzschluss und letztendlich zum unkontrollierten thermischen Durchgehen mit Brand- und Verpuffungsgefahr. Metallisches Lithium kommt in der Zelle nicht vor, jedoch sind es Lithium-Atome, die bei den Lade- und Entladevorgängen an der negativen Elektrode in das Elektrodenmaterial interkaliert werden. Brennende Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren dürfen daher nicht mit Wasser gelöscht werden.

Der Boeing 787 Dreamliner benutzt zwei Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren (jeweils 28,5 kg, 29,6 V, 76 Ah, 2,2 kWh) hergestellt von GS Yuasa, welche zu zwei Bränden im Januar 2013 führten.[8]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Daniel Doughty, Ahmad Pesaran: Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance. National Renewable Energy Laboratory. Abgerufen am 19. Januar 2013.
  2. 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.
  3. A look inside a iphone 6 plus battery. 
  4. H. J. Bergveld, W. S. Kruijt, P. H. L. Notten: Battery Management Systems: Design by Modelling. Springer, 2002, ISBN 978-94-017-0843-2, S. 107–108, 113.
  5. S Dhameja: Electric Vehicle Battery Systems. Newnes Press, 2001, ISBN 978-075-06991-67, S. 12.
  6. A look inside a iphone 6 plus battery. 
  7. Kinderarbeit in Kobaltminen für Apple, Microsoft und Samsung. 
  8. Daniel Michaels: Batteries Like Those on Dreamliner Raised Concerns. In: The Wall Street Journal, 18. Januar 2013. Abgerufen am 19. Januar 2013.