Lithium-Ionen-Akkumulator

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Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (auch Lithiumionenakku, Lithiumionen-Akku, Lithiumionen-Sekundärbatterie oder kurz Lithium-Akkumulator; fachsprachlich [ˈliːtiʊm]) ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle. Die reaktiven Materialien sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode sowie der Elektrolyt enthalten Lithiumionen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen im Vergleich zu anderen Akkumulatortypen eine hohe spezifische Energie auf, erfordern jedoch in den meisten Anwendungen elektronische Schutzschaltungen, da sie sowohl auf Tiefentladung als auch Überladung empfindlich reagieren.

Lithium-Ionen-Akkumulator in Flachbauweise
Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akkumulatoren unterteilen sich im chemischen Aufbau in eine Vielzahl verschiedener Typen wie den Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, Lithium-Mangandioxid-Akkumulator, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator und in weniger gebräuchliche Varianten wie den Lithium-Titanat-Akkumulator und Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Mehrzahl der am Markt befindlichen Akkumulatoren sind Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren, oft in der Form als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt.[1] Die Kenndaten wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit, Lade- und Entladeschlussspannung und der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom variieren bauartbedingt und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyt abhängig. Die Angabe des genauen Typ, beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator, ist aus diesem Grund informativer als die unspezifische Angabe des Oberbegriffs Lithium-Ionen-Akkumulator.

Allen Lithium-Ionen-Akkumulatoren gemeinsam ist, dass die Zellen hermetisch versiegelt sind und lageunabhängig betrieben werden können. Die spezifische Energie liegt in der Größenordnung von 150 Wh/kg und die Energiedichte in der Größenordnung von 400 Wh/l, womit Lithium-Ionen-Akkumulatoren vor allem im Bereich mobiler Anwendungen als elektrischer Energiespeicher interessant sind und den Aufbau kleiner und leichter Akkumulatoren erlauben.[2] Die Selbstentladungsrate liegt im Bereich von 2 % bis 8 % pro Monat, der Temperaturbereich für den Einsatz liegt bei -20 °C bis +60 °C.

Ein weiteres wesentliches Merkmal aller Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist, dass die Zellen von der Zellchemie her nicht im Stande sind, Überladungen zu verkraften.[3] Bei einem Verbund mehrerer Zellen in Reihe zur Erzielung einer höheren elektrischen Spannung müssen zum Ausgleich der Toleranzen in der Kapazität zwischen den Zellen zusätzliche Massnahmen in Form eines Batteriemanagementsystems (BMS) und Balancer vorgesehen werden.

Die meisten Lithium-Ionen-Akkumulatorentypen sind empfindlich auf Übertemperatur, wie sie unter anderem bei Überladung auftritt, da es bei einigen der häufig eingesetzten Oxiden wie Cobalt(II)-oxid und verschiedenen eingesetzten Mischoxiden wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden ab Temperaturen von ca. 180 °C es zu einem thermischen Durchgehen kommt. Oxide wie Nickeldioxid, welche zwar den Bau von Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit vergleichsweise hoher spezifischer Kapazität erlauben, neigen stark zu thermischen Durchgehen und werden daher in kommerziellen Anwendungen praktisch nicht verwendet.[4] Bei dem thermischen Durchgehen wird durch den chemischen Zerfall des Oxids zufolge der hohen Temperatur im Akkumulator Sauerstoff freigesetzt welcher chemisch mit den Zellbestandteilen wie den Elektrolyt reagiert und so zu einer sich selbst steigernden, von aussen nicht mehr anhaltbaren exothermen Reaktion führt, die zur thermischen Zerstörung des Akkumulators führt. Materialien wie Lithiumeisenphosphat, neben den erwähnten Metalloxiden kommen bei einigen Akkutypen auch Eisenphosphate an der positiven Elektrode zum Einsatz, weisen kein thermisches Durchgehen auf. Diese Akkumulatoren haben allerdings eine kleinere spezifische Kapazität.

Im Gegensatz zu den nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien und der Gruppe von Lithiumakkumulatoren wie dem Lithium-Luft-Akkumulator welche metallisches Lithium im Aufbau nutzen, weisen Lithium-Ionen-Akkumulatoren im Inneren kein metallisches Lithium auf - das Lithium ist bei allen Lithium-Ionen-Akkumulatortypen chemisch gebunden.[5] Je nach Typ werden im Rahmen der Herstellung von Akkus mit einer Speicherfähigkeit der Energiemenge von einer Kilowattstunde etwa 80 g bis 130 g chemisch reines Lithium benötigt. Die in Lithium-Ionen-Akkumulatoren vorkommenden Lithium-Ionen sind monovalent, was verglichen mit multivalenten Ionen zu höherer Diffusion führt.[6]

Mit den Lithium-Ionen-Akkumulatoren im Aufbau und Verfahren verwandt sind die Natrium-Ionen-Akkumulatoren, welche das Alkalimetall Natrium als Ionenquelle verwenden und eine ähnliche Typenvariation aufweisen aber physikalisch bedingt grundsätzlich eine geringere Energiedichte haben.[7]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bereits in den 1970er Jahren wurden an der TU München das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetallionen-Interkalation in Kohlenstoff-Elektroden[8][9] sowie oxidische Elektroden[10][11] und deren Anwendung in Lithium-Batterien[12][13] 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 das erste verfügbare elektrodenchemische System für einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Brauchbarkeit als Elektrodenmaterial wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough an der University of Oxford entdeckt.[14] Die positive Elektrode besteht aus der namensgebenden Substanz Lithium-Cobalt(III)-oxid.

Der erste kommerziell erhältliche Lithium-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 aus zwei seriell verschalteten Zellen hat eine Spannung von 7,2 V und eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Bis heute (2016) werden Akkumulatoren dieser Bauform mit Kapazitäten bis 6900 mAh angeboten und in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt.[15]

Anwendungsbereiche[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Mobiltelefone

Lithium-Ionen-Akkus versorgten anfangs hauptsächlich tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß waren, beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen, Softairwaffen oder Taschenlampen. Mittlerweile sind sie in fast allen Bereichen anzutreffen. Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Pedelecs, Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridfahrzeuge. Auch im RC-Modellbau haben sie sich früh etabliert. Durch ihr geringes Gewicht sind sie, in Verbindung mit bürstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern, gut als Antriebseinheit im Flugmodellbau geeignet. Seit 2003 gibt es Lithium-Ionen-Akkus in Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und in Gartengeräten. In der Boeing 787 werden Lithium-Kobaltoxid-Akkus (LiCoO2) verwendet, die jedoch nach mehreren Bränden nachträglich eine Stahlummantelung erhielten. Andere Flugzeuge sind mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus ausgerüstet.[16] Lithium-Ionen-Batterie-Systeme werden auch in Batterie-Speicherkraftwerken und Solarbatterien eingesetzt. Eine Auflistung von solchen Batteriespeichern findet sich im Artikel Liste von Batterie-Speicherkraftwerken.

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Im geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess mit Stoffänderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt. Im Akkumulator können Lithiumionen (Li+) frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern, wovon sich der Name des Akkus ableitet. Im Gegensatz zu den Lithiumionen sind die Übergangsmetall- und Graphit-Strukturen der Elektroden ortsfest und durch einen Separator vor einem direkten Kontakt geschützt. Die Mobilität der Lithiumionen ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.

Die negative Elektrode ist eine Graphit-Intercalationsverbindung mit der allgemeinen Zusammensetzung LixCn, wobei Lithium als Kation vorliegt. Beim Entladen gibt die Interkalationsverbindung Elektronen ab, die über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Gleichzeitig wandern gleich viele Li+-Ionen aus der Intercalationsverbindung durch den Elektrolyten ebenfalls zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithiumionen die Elektronen des externen Stromkreises auf, sondern die dort vorhandenen Strukturen der Übergangsmetallverbindungen. Je nach Akkumulatortyp können das Cobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisen-Ionen sein, die ihre Ladung ändern. Das Lithium liegt im entladenen Zustand des Akkumulators in der positiven Elektrode weiterhin in Ionenform vor.

Innerhalb beider Elektroden können sich Elektronen als Elektronengas frei bewegen und zu den externen Leitern wandern bzw. aus den Leitern in die Elektrode eintreten.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

An Materialien werden unter anderem verwendet:

Negative Elektrode (beim Entladen: Anode; beim Laden: Kathode)

Elektrolyt

Positive Elektrode (beim Entladen: Kathode; beim Laden: Anode)

Separator

Reaktionsgleichungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Folgenden sind beispielhaft die für den Lithium-Mangan-Akkumulator geltenden chemischen Reaktionsgleichungen bei Entladung und Ladung angeführt.

Negative Elektrode (Entladen):

Positive Elektrode (Entladen):

Redox-Gleichung:

Bauformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Lithium-Ionen-Akku des Formfaktors 18650 neben einer Alkaline AA zum Vergleich.

Handelsübliche Einzelzellen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden üblicherweise in zylindrischer Bauform, als mit speziellem Gehäuse konfektionierte Einzelzellen oder als Pouch-Zellen ausgeführt. Die zylindrische Bauform ist dabei mit einer fünfstelligen Zahl gekennzeichnet und ermöglicht so einen einfachen Austausch. Die ersten beiden Ziffern geben den Zelldurchmesser in Millimeter an, die dritte und vierte Stelle die Länge der Zelle in Millimeter. In nachfolgender Tabelle sind beispielhaft einige übliche Zellgrößen mit den typischen Kapazitätswerten angegeben. Die konkreten Werte zu der Kapazität stellen grobe Richtwerte dar und sind vom konkreten Zelltyp und Hersteller abhängig.

Zellbezeichnung Typische Kapazität [Ah] Abmessungen [mm] Hinweis
10180 0,3–0,4 10 × 18 Bauform wie ⅓ AAA-Zelle
10280 0,3–0,4 10 × 28 Bauform wie ⅔ AAA-Zelle
10440 0,3–0,4 10 × 44 Bauform wie AAA-Zelle
13450 0,5–0,7 Einsatz bei E-Zigaretten
14250 0,25–0,3 14 × 25 Bauform wie ½ AA-Zelle
14430 0,6–0,7 14 × 43 Bauform wie ⅘ AA-Zelle
14500 0,7–0,8 14 × 53 Bauform wie AA-Zelle
14650 0,9–1,6 14 × 65
16340 0,6–1,0
16500 0,8–1,2
16650 2–3 16 × 65 Schmale Bauform der 18650
17500 0,7–1,2 17,3 × 50 Bauform wie A-Zelle
17650 1,2–2,5
18350 0,7–1,2 18 × 35
18500 1,1–2,2 18,3 × 49,8
18650 0,8–3,5 18,6 × 65,2 Weit verbreitete Bauform, u. a. in Elektroautos.
21700 4,2–4,8 21 × 70 Anwendung in Traktionsbatterien von Elektroautos
23430 3,3–5,2 Wie Sub-C-Zelle.
25500 3,7–5 24,3 × 49,2
26500 2–4 Bauform wie C-Zelle.
26650 3,3–5,2 26,5 × 65,4 weit verbreitete Bauform, u. a. in Elektroautos.
32600 5.5–6 32 × 61,9 Bauform wie D-Zelle.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext 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 spezifische Energie nur in vergleichsweise geringem Umfang erhöht wurde.[19]

Kein Memory-Effekt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[20]

Selbstentladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe Hinweise zum Umgang mit Li-Ionen-Akkus, Unterpunkt Lagerung/Selbstentladung.

Lebensdauer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 hatten nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnten die Nutzer schon nach einem Jahr erhebliche Kapazitätsverluste feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithiumionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade-Entlade-Zyklen, 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.[21]

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 zyklisierten 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.[22]

Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Lithium-Ionen-Akkus mit längerer Haltbarkeit verkauft.

Apple gab 2009 an, die in den neuen Modellen der MacBook Pro Familie verbauten Akkus seien bis zu 1.000 Mal wiederaufladbar, bevor sie nur noch 80% ihrer ursprünglichen Kapazität erreichten. Das soll einer Verdreifachung der Lebensdauer gegenüber den herkömmlichen Akkus entsprechen.[23] 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 – könnte die mit den neueren Akkus erzielbare Zyklenzahl auch höher ausfallen. Ein Community-Portal zur Akku-Lebensdauer von Laptop-Akkus nennt bei einer Fallzahl von 1.644 eine durchschnittliche Zyklenzahl von 424 bei 82% Restkapazität, wobei auch Fälle von 60% Verlust nach nur 120 Zyklen nicht selten seien.[24]

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Coulomb-Wirkungsgrad
Der Coulomb-Wirkungsgrad bzw. die Coulomb-Effizienz beträgt typischerweise annähernd 100 %,[25] 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 Lithiumionen mit der Elektrolytlösung an der Anode und Kathode irreversibel unter Ausbildung von Deckschichten reagiert.[26]
Speichervermögen in Abhängigkeit vom Entladestrom
Das Speichervermögen in Abhängigkeit vom Entladestrom kann durch die Peukert-Gleichung näherungsweise beschrieben werden. Je höher der Entladestrom, desto weniger elektrische Energie kann dem Akku entnommen werden. Für Lithium-Ionen-Akkus liegt die Peukert-Zahl bei ca. 1,05.
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 %.[25] Werden im Verhältnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkumulators kleine Lade- und Entladeströme verwendet, können auch über 98 % erreicht werden.

Ladezeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wie die Lebensdauer hängt auch die Ladezeit von einigen Faktoren ab, bei höheren Ladeleistungen vor allem von der Temperatur. Kurze Ladezeiten wirken sich belastend auf das Elektrodenmaterial aus, sodass die Lebensdauer und Zyklenzahl verkürzt wird.

Material Spannung
LiCoO2 3,6 V
LiMnO2 3,7–3,8 V
LiFePO4 3,3 V
Li2FePO4F 3,6 V

Spannung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[27]

Gravimetrische Leistungsdichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Leistungsdichte ist die Leistung, die ein Akkumulator im Verhältnis zu seiner Masse liefert und liegt typischerweise bei 300–1500 W/kg, bei neueren Akkus sind aber auch mehrere Tausend W/kg möglich.[28]

Spezifische Energie und Energiedichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die massenbezogene spezifische Energie ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und liegt bei 90-240 Wh/kg, die volumenbezogene Energiedichte liegt bei 200–500 Wh/l, je nach verwendeten Materialien. [29] Anwendungen, die eine besonders lange Lebensdauer benötigen, beispielsweise für den 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-Entlade-Zyklen überproportional erhöht, aber die nutzbare Energiedichte entsprechend absenkt.[27]

Preis[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Preisentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien spielt für die auch politisch viel diskutierte Umstellung auf Elektromobilität eine große Rolle, da deren Kosten einen größeren Anteil an Verkaufspreis und Folgekosten von E-Fahrzeugen haben als die Antriebstechnik bei Verbrenner-Fahrzeugen. Voraussagen über künftige Weiterentwicklungen und Preissenkungen wurden in der Vergangenheit nicht immer erfüllt.[30] Ab 2015 gab es jedoch einen deutlichen Preisverfall.[31] Der Preis wird meist in US-Dollar pro Kilowattstunde angegeben und fiel in 2015 auf etwa 300 USD, teilweise werden auch 200 USD genannt.[32] Die Preisentwicklung von E-Fahrzeugen hat die Senkung der Zellen-Preise ab 2015 jedoch nicht nachvollzogen.[33] Eine Studie des US-Energieministeriums vom Februar 2017 weist darauf hin, dass die Kosten der Traktionsbatterie – die Kapselung, Gehäuse, Elektronik und Temperatur-Management enthalten – dem Preis der Zellen nur verzögert folgen.[34]

Hinweise zum Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akku

Wegen der Vielzahl an möglichen Materialien für die negative und positive Elektrode sowie den Separator ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen für Lithium-Ionen-Akkus zu treffen. Die verschiedenen Arten werden von den Herstellern für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten optimiert und unterscheiden sich im Umgang teilweise sehr stark.

Ladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Ladeschlussspannung beträgt typischerweise 4,0–4,2 V, teils auch 4,35 V,[35] was etwas höhere Kapazitäten ermöglicht, aber auf Kosten einer reduzierten Zykluszahl. Da Lithium-Ionen-Akkus keinen Memory-Effekt haben und auch nicht formiert werden müssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Bei den meisten handelsüblichen Akkus wird bei hochwertigem Ladeverfahren die Ladefunktion nur bei einer Zellenspannung von mindestens 2,5 V aktiviert und bis ca. 2,9 V vorsichtshalber lediglich mit einem Konstantstrom von ca. 0,1 C, darüber mit einem Konstantstrom von ca. 0,3 C (zellenschonende Ladung) bis max. 1 C bis zur Ladeschlussspannung geladen. Schnellladefähige Zellen vertragen je nach Typ aber auch 2 C, 4 C oder gar 8 C.[36] Die Abkürzung C steht hier für den auf die Kapazität bezogenen relativen Ladestrom (d. h. A/Ah)[37] 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, Lithium-Ionen-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.[27] 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-Entlade-Zyklen gegenüber.

Entladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Spannung des Lithium-Ionen-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.[38] 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, Lithium-Ionen-Akkus „flach“ zu (ent-)laden, da sich deren Lebensdauer so verlängert. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku immer von 100 % Ladezustand auf 0 % entladen wird, bevor er wieder geladen wird, erreicht er nur die minimale Zyklenzahl. 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 vom Entladungsgrad an.[39]

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.[40]

Lagerung/Selbstentladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Akku altert schneller, je höher seine Zellenspannung ist, daher ist es zu vermeiden, einen Lithium-Ionen-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.[41] Aktuelle Angaben geben eine Selbstentladung von 3 %/Monat auch bei Zimmertemperatur an.[39] 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gefahrzettel „Gefahr der Klasse 9 – Verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände“

Für die Beförderung von Lithium-Akkumulatoren/-Batterien gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser-Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften:

  • Einstufung aller Lithium-Batterien seit dem 1. Januar 2009 als Gefahrgut der Klasse 9.[42] Um sie versenden zu dürfen, muss zunächst der UN-Transport-Test UN/DOT 38.3[43] (englisch UN Transportation Testing) von einem akkreditierten Prüflabor durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um insgesamt acht Tests.
  • 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.
  • Viele Fluggesellschaften und Flughäfen haben Beförderungsbestimmungen für Lithium-Ionen-Akkus, wobei kleinere Akkus (ca. < 100 Wh) meist unproblematisch sind.

Für den DHL-Versand von Artikeln, die Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Batterien enthalten, gilt eine Regelung für die Beförderung von gefährlichen Stoffen und Gegenständen.[44]

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[45]

  • 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akku-Überwachungselektronik (Über- und Entladungsschutz)

Lithium-Ionen-Akkus reagieren sehr empfindlich auf falsche Behandlung, weshalb dieser Akkutyp zuerst nicht eingesetzt wurde, obwohl er bereits seit den 1980er-Jahren bekannt war.[46] Integrierte Schaltkreise sind sehr preisgünstig geworden; daher können Lithium-Ionen-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.[47][48] 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Lithium-Ionen-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.[27] Andere Lithium-Ionen-Akkus, wie der LiFePO4-Akku, sind thermisch stabil, werden aber bei Überladung ebenfalls irreversibel geschädigt.

Tiefentladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Generell gilt: Tiefentladung führt meist zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Herkömmliche Lithium-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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Lithium-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis −54 °C eingesetzt werden können. Durch Laden bei niedrigen Temperaturen tritt meist eine sehr starke Alterung auf, die mit irreversiblem Kapazitätsverlust einhergeht.[49] Aus diesem Grund wird für die meisten Batterien 0 °C als untere zulässige Temperatur während des Ladevorgangs angegeben. Bei zu hohen Betriebstemperaturen bildet sich bei vielen Systemen durch Zersetzung des Elektrolyts eine Schicht auf der Anode, die den Zellinnenwiderstand stark erhöht. Die Temperatur während des Entladevorgangs wird von den meisten Herstellern deshalb auf 60 °C limitiert. Lithium-Ionen-Akkumulatoren erwärmen sich während des Entladevorgangs, besonders bei hohen Strömen. Die maximale Temperatur hängt dabei in vielen Fällen linear von der Entladerate ab.[50][51]

Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mechanische Belastung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mechanische Beschädigungen wie in die Akkuzelle eindringende Objekte können zu inneren elektrischen Kurzschlüssen führen. Die hohen fließenden Ströme führen zur Erhitzung des Akkumulators. Dabei können Gehäuse aus Kunststoff schmelzen und entflammen. Unter Umständen ist ein mechanischer Defekt von außen auch 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 unerwünschte chemische Reaktionen hervorrufen.

Chemische Reaktionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Abgebrannter Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator aus einer Boeing 787 als Folge des thermischen Durchgehens

Je nach verwendeter Zellchemie kann es bei bestimmten Materialien wie Lithium-Cobalt(III)-oxid bei Überlastung zu einem thermischen Durchgehen kommen, was in einem Brand enden kann. Dies ist besonders kritisch, da sich dabei ein einmal eingeleiteter Prozess wie eine zunächst harmlose Überhitzung selbst und ohne äußere Energiezuführung weiter steigert und in Folge einen Brand auslösen kann. Eine weitere Gefahr geht von exothermen Zersetzungsreaktionen der Zellchemikalien bei Überlastung, insbesondere beim Überladen aus.

Die verbreitete Bauform des Lithium-Polymer-Akkumulators ist in vielen Fällen in der Zellchemie ein Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, wie er in vielen Mobilgeräten eingesetzt wird. Brennende Lithiumakkumulatoren gelten als Metallbrand und sollten nicht mit Wasser gelöscht werden, um Knallgasexplosionen und andere unerwünschte chemische Begleitreaktionen der Zellchemie mit Wasser zu vermeiden. In den meisten Fällen besteht im Falle eines Zellenbrandes lediglich die Möglichkeit, auftretende Folgebrände zu löschen und den Akkumulator kontrolliert abbrennen zu lassen. Die mögliche Brandgefahr kann zu kostspieligen Rückrufaktionen der Hersteller führen.[52]

Abhilfe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Keramische, temperaturbeständigere Separatoren gewähren eine erhöhte Sicherheit. Ebenso können Zellchemikalien eingesetzt werden, die thermisch stabiler sind oder deren Zersetzung nicht exotherm abläuft. Beispielsweise können statt kostengünstiger Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren betriebssichere Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren eingesetzt werden: Diese weisen allerdings neben einem höheren Preis auch eine kleinere Energiedichte auf und erlauben keine derart kompakten Bauformen wie Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren.

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. Außer den zellinternen Schutzvorrichtungen gibt es 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.

In arbeitswissenschaftlichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Umgang mit leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkumulatoren wie deren Fertigung, Einbau, Lagerung, Entsorgung sowie bestimmte Betriebszustände nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitsschutz hat. Die Gefahren wie bei Arbeiten mit höheren elektrische Spannungen und die Handhabung von Gefahrstoffen der eingesetzten Zellchemie können durch Anpassung und konsequente Umsetzung bestehender Sicherheitsanforderungen minimiert werden.[53]

Beispiele von Vorfällen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[54] Daraufhin wurde das Sicherheitskonzept der Traktionsbatterie überarbeitet.[55]

Umweltbilanz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

CO2-Bilanz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Herstellung der Akkumulatoren entsteht Kohlenstoffdioxid. In der peer-reviewten Literatur wird davon ausgegangen, dass pro kWh Akkukapazität etwa 70 kg bis 75 kg Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden.[56][57][58]

2017 erschien eine nicht begutachtete schwedische Studie, die deutlich höhere Werte von etwa 150 bis 200 kg Kohlendioxid-Äquivalente postuliert. Ausgehend vom geschätzten Energiebedarf für die Herstellung (350–650 MJ/kWh) wurde dabei die CO2-Emission abgeleitet, basierend auf dem derzeitigen mittleren weltweiten Strommix. Die Produktion des Rohstoffs trage gemäß der Studie nur geringfügig zur Gesamtbilanz bei; der Hauptbeitrag komme aus der Herstellung der Akkus. Die Emissionen seien jedoch stark abhängig vom Energiemix für die Herstellung der Akkus.[59] Erfolgt somit die Energiebereitstellung für die Herstellung der Akkus aus regenerativen Quellen, wie z. B. in der im Bau befindlichen Gigafactory von Tesla, die in ihrer zweiten Ausbaustufe mehr als die Weltjahresproduktion 2013 an Lithium-Ionen-Akkumulatoren erzeugt,[60] so liegen die Kohlendioxid-Äquivalente für die Herstellung deutlich unter den angegebenen Werten.

Recycling[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Wertstoffe Kobalt, Nickel, Kupfer und Aluminium sind für die Prozessökonomie und Prozessökologie besonders attraktiv; Lithium muss mittelfristig zusätzlich recycelt werden, um langfristig Engpässe zu vermeiden.[61]

Um Lithium-Ionen-Akkumulatoren und primäre Lithium-Ionen-Batterien zu recyclen, werden verschiedene Grundoperationen zu komplexen Prozessketten kombiniert:[61]

  • Deaktivieren/Entladen (speziell für Traktionsbatterien)
  • Demontage der Batteriesysteme (speziell für Traktionsbatterien)
  • mechanische Prozesse (Schreddern, Sortieren, Sieben etc.[61])
  • hydrometallurgische Prozesse
  • pyrometallurgische Prozesse

Die weltweit erste kommerzielle Recycling-Anlage (PosLX) wurde 2017 von POSCO in Gwangyang, Südkorea, in Betrieb genommen. In dieser Anlage wird Lithiumphosphat aus alten Lithium-Ionen-Akkus durch das von POSCO patentierte Verfahren in Lithiumcarbonat, ein Vorprodukt für Lithium, umgewandelt. Die neue Fabrik hat eine Jahresproduktionskapazität von 2.500 Tonnen Lithiumcarbonat.[62][63]

Entwicklungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im April 2006 schrieb eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, einen Prozess entwickelt zu haben, der für die Herstellung von nanometergroßen Drähten mittels Viren verwendet werden kann. Damit können ultradünne Lithium-Ionen-Akkus mit höherer Energiedichte hergestellt werden.[64]

Im Juni 2006 stellten Forscher aus Frankreich Akku-Elektroden in Nanometer-Größe her, die ein Mehrfaches der Energiedichte im Vergleich zu gewöhnlichen Elektroden besaßen.[65]

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 einer Natrium-Lithium-Mischung, weswegen er auch als Alkali-Ionen-Akku bezeichnet wird.[66]

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.[67] 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.[68] Einen ähnlichen Ansatz mit nanoporösem Silicium[69] 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.[70]

Im Juni 2011 berichteten Forscher der japanischen Firma Sumitomo Electric Industries, dass das Ersetzen des Ableiters der Kathode, der üblicherweise aus Aluminiumfolie besteht, durch den Werkstoff Aluminium-Celmet, eine Erhöhung der Akkumulator-Energiedichte um einen Faktor von 1,5 bis 3 ermöglichen würde.[71]

Ausführungsformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei dem Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator besteht die positive Elektrode aus dem namensgebenden Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2). Nahezu alle handelsüblichen Mobilgeräte verwenden Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren, üblicherweise für die kompakte Gestaltung der Zelle in der Bauform eines Lithium-Polymer-Akkumulators ausgeführt.

Lithiumtitanat-Akkumulator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Lithiumtitanat-Akkumulator

Der Lithiumtitanat-Akkumulator ist eine Unterkategorie des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei der die herkömmliche Graphitelektrode (negativer Pol) durch eine gesinterte Elektrode aus Lithiumtitanspinell (Li4Ti5O12) ersetzt wird. Die wesentlich stärkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht, die eine der Hauptgründe für die schnelle Alterung vieler herkömmlicher Li-Ion-Akkus ist. Dadurch wird die Zahl der möglichen Ladezyklen erhöht. Da 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.

Lithium-Mangan-Akkumulator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Lithium-Mangan-Akkumulator wird Lithiummanganoxid als Aktivmaterial in der positiven Elektrode eingesetzt. Die negative Elektrode, bei Entladung des Akkumulators 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 mit Stand 2012 sowohl in Pedelecs und E-Bikes verschiedener Hersteller (u. a. vom Schweizer Pedelec-Hersteller Flyer[72][73]), 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 | Quelltext 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 | Quelltext 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 hat theoretisch eine sehr hohe spezifische Energiedichte, stößt aber auf technische Schwierigkeiten bei der Umsetzung, weshalb mit Stand 2010 keine Akkumulatoren dieses Typs am Markt verfügbar sind.[74][75]

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

Dual-Carbon-Akkumulator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Dual-Carbon-Akkumulator

Bei dem Dual-Carbon-Akkumulator bestehen als Besonderheit beide Elektroden, sowohl die Kathode als auch die Anode, aus porösem Graphit.

Spezielle Bauweisen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lithium-Polymer-Akkumulator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Lithium-Polymer-Akkumulator

Der Lithium-Polymer-Akkumulator stellt keine eigenständige Zellchemie dar, wenngleich die Mehrzahl aller am Markt befindlichen Lithium-Polymer-Akkumulatoren vom Typ der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren sind und damit umgangssprachlich oft gleichgesetzt werden. Die wesentliche Eigenschaft des Polymer-Akkumulators ist die Art die Gestaltung des normalerweise flüssigen Elektrolyts, welche als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis vorliegt und somit im mechanischen Aufbau der Zelle verschiedenartige Gestaltungen wie den Aufbau flacher Zellen erlaubt. Die äußere Form der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen.

Verschiedenartige Materialkombinationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Potentiale in Abhängigkeit von den eingesetzten Kathoden- und Anoden-Aktivmaterialien

Es stehen zahlreiche Materialkombinationen zur Speicherung von Lithiumionen 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),[76] 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
  • Stoßfestigkeit
  • 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 vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) entwickelten Akkumulator, der in seiner Energiedichte, Druckresistenz und ungewöhnlichen Formgebung (sechseckig) für den Einsatz in einem Autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV)) optimiert wurde.[77][78]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
  • Thomas B. Reddy (Hrsg.): Linden's Handbook of Batteries. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2011, ISBN 978-0-07-162421-3.
  • Claus Daniel, Jürgen O. Besenhard: Handbook of Battery Materials. Wiley-VCH, Weinheim 2011, ISBN 3-527-32695-2.
  • Masaki Yoshio (Hrsg.): Lithium-Ion Batteries. Science and Technologies. Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-34444-7.
  • Korthauer, Reiner. Handbuch Lithium-Ionen-Batterien. Heidelberg : Springer Verlag, 2013. ISBN 978-3-642-30653-2.
  • Peter Kurzweil/Otto K. Dietlmeier: Elektrochemische Speicher. Springer Vieweg, Wiesbaden 2015, ISBN 9783658109004.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Grant M. Ehrlich: Handbook Of Batteries. Hrsg.: David Linden, Thomas B. Reddy. 3. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, Kapitel 35: Lithium-Ion Batteries, S. 35.1 - 35.94.
  2. Grant M. Ehrlich: Handbook Of Batteries. Hrsg.: David Linden, Thomas B. Reddy. 3. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, Kapitel 35: Lithium-Ion Batteries, S. 35.2.
  3. Grant M. Ehrlich: Handbook Of Batteries. Hrsg.: David Linden, Thomas B. Reddy. 3. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, Kapitel 35: Lithium-Ion Batteries, S. 35.3.
  4. Grant M. Ehrlich: Handbook Of Batteries. Hrsg.: David Linden, Thomas B. Reddy. 3. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, Kapitel 35: Lithium-Ion Batteries, S. 35.8 - 35.9.
  5. Thomas B. Reddy, Sohrab Hossain: Handbook Of Batteries. Hrsg.: David Linden, Thomas B. Reddy. 3. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, Kapitel 34: Rechargeable Lithium Batteries (Ambient Temperature), S. 34.1 - 34.4.
  6. Naoki Nitta, Feixiang Wu, Jung Tae Lee, Gleb Yushin: Li-ion battery materials: present and future. In: Materials Today. Band 18, Nr. 5, 1. Juni 2015, S. 252–264, doi:10.1016/j.mattod.2014.10.040 (sciencedirect.com [abgerufen am 25. März 2017]).
  7. Jang-Yeon Hwang, Seung-Taek Myung, Yang-Kook Sun: Sodium-ion batteries: present and future. In: Chemical Society Reviews. Band 46, Nr. 12, Juni 2017, S. 3529 - 3614, doi:10.1039/C6CS00776G.
  8. J. O. Besenhard, H. P. Fritz: Cathodic reduction of graphite in organic solutions of alkali and NR4+ salts. In: Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. Band 53, Nr. 2, 25. Juni 1974, S. 329–333, doi:10.1016/S0022-0728(74)80146-4.
  9. J. O. Besenhard: The Electrochemical Preparation and Properties of Ionic Alkali Metal and NR4 Graphite Intercalation Compounds in Organic Electrolytes. In: Carbon. Band 14, Nr. 2, 1976, S. 111–115, doi:10.1016/0008-6223(76)90119-6.
  10. R. Schöllhorn, R. Kuhlmann, J. O. Besenhard: Topotactic redox reactions and ion exchange of layered MoO3 bronzes. In: Materials Research Bulletin. Band 11, Nr. 1, Januar 1976, S. 83–90, doi:10.1016/0025-5408(76)90218-X.
  11. J. O. Besenhard, R. Schöllhorn: The discharge reaction mechanism of the MoO3 electrode in organic electrolytes. In: Journal of Power Sources. Band 1, Nr. 3, 1976, S. 267–276, doi:10.1016/0378-7753(76)81004-X.
  12. J. O. Besenhard, G. Eichinger: High energy density lithium cells: Part I. Electrolytes and anodes. In: Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. Band 68, Nr. 1, 25. Februar 1976, S. 1–18, doi:10.1016/S0022-0728(76)80298-7.
  13. G. Eichinger, J. O. Besenhard: High energy density lithium cells: Part II. Cathodes and complete cells. In: Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. Band 72, Nr. 1, 25. August 1976, S. 1–31, doi:10.1016/S0022-0728(76)80072-1.
  14. 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.
  15. Akku für Sony CCD Tr1. WebShop, abgerufen am 4. März 2012.
  16. Memory-Effekt bei Lithium-Ionen-Akkus. heise online, 15. April 2013, abgerufen am 17. Januar 2017.
  17. M. Wohlfahrt-Mehrens, C. Vogler, J. Garche: Aging mechanisms of lithium cathode materials. In: Journal of Power Sources. 127, Nr. 1–2, 2004, S. 58–64, doi:10.1016/j.jpowsour.2003.09.034.
  18. Sébastien Patoux, Lucas Sannier, Hélène Lignier, Yvan Reynier, Carole Bourbon, Séverine Jouanneau, Frédéric Le Cras, Sébastien Martinet,: High voltage nickel manganese spinel oxides for Li-ion batteries. In: Electrochimica Acta. Band 53, Nr. 12, Mai 2008, S. 4137–4145, doi:10.1016/j.electacta.2007.12.054.
  19. Isidor Buchmann: Ist Lithium-Ion die ideale Batterie?. Plattform für die Förderung und Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Abgerufen am 17. Dezember 2011.
  20. Tsuyoshi Sasaki, Yoshio Ukyo, Petr Novák: Memory effect in a lithium-ion battery. In: nature materials. 14. April 2013, doi:10.1038/NMAT3623.
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  24. https://macbookbatterydatabase.com/ , abgerufen 1. August 2017
  25. a b Life-Cycle Testing of Mars Surveyor Program Lander Lithium Ion Battery Achieved Over 10,000 Low-Earth-Orbit Cycles. (Memento vom 9. September 2013 im Internet Archive) In: NASA.gov. 16. Oktober 2006.
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  27. a b c d Charging lithium-ion batteries. In: BORDER RADIO CLUB Newsletter. März 2006.
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  31. wiwo.de: Sind Elektroautos schon bald günstiger als Benziner?, 1. Juni 2015, abgerufen 1. August 2017
  32. Bloomberg.com: Battery Cost Plunge Seen Changing Automakers Most in 100 Years, 11. Oktober 2016, abgerufen 1. August 2017
  33. Energyload.eu: Senken fallende Batteriepreise die Preise für Elektroautos?, 25. Juli 2016, abgerufen 1. August 2017
  34. energy.gov: Cost and Price Metrics for Automotive Lithium-Ion Batteries, Februar 2017, abgerufen 1. August 2017
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  40. Bernhard Haluschak: Akkus: Kurzlebig ab Werk. In: Tecchannel. 23. September 2005.
  41. M.Frehner, 2007: Alles über Akkus Abschnitt: Selbstentladung, eingefügt 15. Februar 2012
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  44. DHL Vertriebs GmbH & Co OHG Marktkommunikation: Regelung für die Beförderung von gefährlichen Stoffen und Gegenständen (PDF; 132 kB)
  45. Florian Müssig: Transportvorschriften für Lithium-Ionen-Akkus Heise-Internetportal, Rubrik „c't Magazin“, Sektion „Wissen“, September 2016.
  46. Isidor Buchmann: Wann wurde die Batterie erfunden? (Memento vom 22. Januar 2012 im Internet Archive) In: Batterien-Montage-Zentrum GmbH.
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  48. Multi-Cell Li-ion Battery Pack OCP/Analog Front End bei intersil
  49. Thomas Waldmann, Marcel Wilka, Michael Kasper, Meike Fleischhammer, Margret Wohlfahrt-Mehrens: Temperature dependent ageing mechanisms in Lithium-ion batteries – A Post-Mortem study. In: Journal of Power Sources. 262, 2014, S. 129–135, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.03.112.
  50. Thomas Waldmann, Margret Wohlfahrt-Mehrens: In-Operando Measurement of Temperature Gradients in Cylindrical Lithium-Ion Cells during High-Current Discharge In: ECS Electrochemistry Letters 4, 2015, S. A1-A3, doi:10.1149/2.0031501eel.
  51. Thomas Waldmann, Gunther Bisle, Björn-Ingo Hogg, Stefan Stumpp, Michael A. Danzer, Michael Kasper, Peter Axmann, and Margret Wohlfahrt-Mehrens: Influence of Cell Design on Temperatures and Temperature Gradients in Lithium-Ion Cells: An In Operando Study In: Journal of The Electrochemical Society 162, 2015, S. A921-A927, doi:10.1149/2.0561506jes.
  52. Gigaset ruft Telefon-Akkus wegen Überhitzung zurück. heise online, 15. Dezember 2011, abgerufen am 17. Januar 2017.
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