Die meisten technischen Geräte ohne Stromkabel funktionieren mit Akkus. Ohne diese Speicher für elektrische Energie gäbe es keine Smartphones oder Laptops. Selbst Elektroautos würden nicht existieren. Demnach gäbe es ohne Akkus viele technischen Errungenschaften nicht.
Insbesondere sind hier die Lithium-Ionen-Akkus wichtig. Denn sie sind leicht – damit portabel – und haben eine sehr hohe Energiedichte, wodurch sie lange Zeit den Energiebedarf von Geräten abdecken können.
Die Erfindung der Lithium-Ionen-Akkus
Die 1970er
In den 1970ern entdeckte der britische Chemiker M. Stanley Whittingham, wie man Lithium-Ionen in den Schichten eines Disulfid-Materials speichern kann. Später entwickelte er seine Erfindung weiter und nutzte Titandisulfid und metallisches Lithium als Elektroden. Jedoch wurde dieser Akku nicht in die Praxis umgesetzt. Zwischen 1974 und 1976 entdeckte J. O. Besenhard an der TU München die reversible Interkalation in Graphit und schlug ihre Anwendung in Lithiumzellen vor.
Die 1980er und frühen 1990er
Im Jahr 1980 machte John B. Goodenoughs Forschungsgruppe den Vorschlag, Lithium-Cobaltdioxid als positive Elektrode zu nutzen. 1985 setzten Akiro Yoshino und seine Kollegen der A&T Battery Goodenoughs sowie Besenhards Vorschläge um. Sie nutzen Petrolkoks als negative Elektrode und Lithium-Cobaltdioxid als positive Elektrode. So gelang die industrielle Umsetzung. 1991 brachten Sony und Asahi Kasei den erste kommerziellen Lithium-Ionen-Akku auf den Markt.
Für die Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus wurden Whittingham, Goodenough und Yoshino im Jahr 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Lithium-Ionen-Akku: Aufbau
Abb.1: Aufbau eines Lithium-Cobaltdioxid-AkkusQuelle: Eigene Erstellung aus Vorlesungsmaterial + wikipedia Ein Akku besteht aus mehreren Einzelzellen. Jede Einzelzelle besteht aus einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode. Diese sind auf Metallfolien – den Stromableitern – aufgetragen. Zwischen den Elektroden ist ein wasserfreier Elektrolyt enthalten, in dem sich die Lithium-Ionen bewegen können.
In einem Lithium-Polymer-Akku ist dieser flüssige Elektrolyt durch ein gelartiges Polymer ersetzt. Als Letztes wird ein Separator zwischen den Elektroden benötigt, damit keine Kurzschlüsse entstehen. Dieser ist mikroporös und somit für die Lithium-Ionen durchlässig.
| Komponente | Material |
| Positive Elektrode | Lithium-Metalloxid (z. B. Lithium-Cobaltdioxid, Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid in NMC-Akkus) |
| Negative Elektrode | meist Graphit |
| Stromableiter | Kupferfolie an negativer Elektrode; Aluminiumfolie an positiver Elektrode |
| Elektrolyt | aprotisches Lösungsmittel (z. B. Diethylcarbonat) mit gelösten Salzen (z. B. Lithiumhexafluorophosphat)In Lithium-Polymer-Akkus: Polymer aus z. B. Polyvinylidenfluorid |
| Separator | Polyolefin-Membran oder Vliesstoffe |
Ein Lösungsmittel ist aprotisch, wenn es keine Protonen abgeben kann. Hier sind die Wasserstoffatome über kovalente Bindungen an den Kohlenstoff gebunden und dissoziieren nicht oder sehr schwach. Das ist hier besonders wichtig, denn freie Protonen und Wasser würden heftig mit Lithium reagieren.
Lithium-Ionen-Akku: Funktionsweise
Damit ein Akku elektrische Energie abgeben kann, muss es eine Wanderung von elektrischen Ladungsträgern – also einen Strom geben. Lithium-Ionen-Akkus basieren darauf, dass Lithium-Ionen zwischen der Kathode und Anode wandern, um den externen Elektronenstrom auszugleichen. Sie interkalieren (einlagern) in die Elektrodenmaterialien und sorgen für den Ladungsausgleich dieser Elektroden beim Aufnehmen und Abgeben von Elektronen, welche über die Stromableiter wandern.
Das Entladen
Schließt man nun etwa ein Gerät an den Akku, geben Lithium-Ionen der Lithium-Graphit-Interkalationsverbindung Elektronen ab (Oxidation). Diese Elektronen wandern von der Graphitelektrode durch das Gerät zur positiven Elektrode.
Gleichzeitig wandern auch die Lithium-Ionen zur positiven Elektrode, um die negative Ladung zu kompensieren und sich mit den Elektronen zu rekombinieren. Gibt es keine Elektronen mehr, die sich von der Graphitelektrode zur Mischoxidelektrode bewegen, ist der Akku entladen.
Das Aufladen
Beim Aufladen des Akkus oxidieren die nun in der Mischoxidelektrode rekombinierten Lithium-Atome erneut. Ihre Elektronen fließen über den Stromableiter über den externen Stromkreis zur Graphitelektrode. Da diese Graphitelektrode nun negativ geladen ist und es einen Ladungsausgleich benötigt, wandern im Akku Lithium-Ionen durch den Separator und interkalieren in die Graphitstruktur. Jetzt ist der Akku aufgeladen.
Die chemischen Reaktionen des Entlade- und Ladeprozesses
Was passiert während des Entlade- und Ladeprozesses?
Reaktion während des Entladeprozesses
Während des Entladeprozesses werden die Lithium-Atome in der Graphitelektrode oxidiert und in der Mischoxidelektrode reduziert.
Positive Elektrode (hier Kathode):
Negative Elektrode (hier Anode):
Reaktion während des Ladeprozesses
Während des Ladeprozesses werden die Lithium-Atome in der Mischoxidelektrode oxidiert und in der Graphitelektrode reduziert.
Positive Elektrode (hier Anode):
Negative Elektrode (hier Kathode):
Achtung bei der Verwendung der Begriffe Anode und Kathode. Die Anode ist die Elektrode, an der eine Oxidation stattfindet, während an der Kathode eine Reduktion stattfindet. Das bedeutet, hier wechseln sich die Anode und Kathode.
Grundreaktion
Die Gesamtreaktion während des Ent- und Aufladens kann man wie folgt zusammenfassen:
Von links nach rechts ist der Entladeprozess dargestellt, während von rechts nach links der Aufladeprozess aufgezeigt wird. Die Reaktion an der Cobaltelektrode ist nur reversibel, wenn maximal die Hälfte der Lithium-Atome ionisiert werden. Daher hat das Lithium den Index von 0,5 (molare Einheit).
Lithium-Ionen-Akku: Vorteile und Nachteile
| Vorteile | Nachteile |
- Lithium-Ionen-Akkus sind wiederaufladbar,
- haben eine höhere Energiedichte im Vergleich zu anderen Akkus,
- und haben eine lange Lebensdauer von mehreren Jahren.
| - Lebensdauer wird durch die Lager- und Nutzungsbedingungen beeinflusst.
- Es besteht eine Empfindlichkeit gegenüber Hitze und Kälte sowie Sonneneinwirkung.
- Überspannung und Tiefentladung wirken sich negativ aus.
|
Lithium-Ionen-Akku: Energiedichte
Bei Batterien und Akkus beschreibt die Energiedichte, wie viel Energie pro Gewicht (gravimetrische Energiedichte) oder pro Volumen (volumetrische Energiedichte) gespeichert werden kann.
Lithium-Ionen-Akkus haben eine volumetrische Energiedichte von etwa 200–500 Wh/l (Wattstunden/Liter) und eine gravimetrische Energiedichte zwischen 90 und 250 Wh/kg. Dabei unterscheiden sich Lithium-Ionen-Akkus je nach Elektroden- und Elektrolytmaterial in ihrer Energiedichte, Kapazität, Zellspannung sowie Temperaturempfindlichkeit.
Lithium-Ionen-Akku: Verwendung
Lithium-Ionen-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte wichtige Energiequellen für vielerlei Geräte. Sie werden in Smartphones, Laptops, Tablets, Kameras, Spielkonsolen, Akkuschraubern, Akkusägen, E-Autos, Hybridautos, Elektromotorrädern und vielen weiteren Geräten eingesetzt. Sogar auf dem Mars gibt es Lithium-Ionen-Akkus. Diese wurden nämlich in den Mars Rover Curiosity eingebaut.
Lithium-Ionen-Akku - Das Wichtigste
- Für die Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus wurden Whittingham, Goodenough und Yoshino 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
- Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus mehreren Einzelzellen.
- Jede Einzelzelle setzt sich aus Stromableitern, positiver und negativer Elektrode, Elektrolyt und einem Separator zusammen.
- Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der Graphitelektrode zur Mischoxidelektrode.
- Beim Aufladen wandern die Lithium-Ionen von der Mischoxidelektrode zur Graphitelektrode.
- Lithium-Ionen-Akkus haben eine sehr hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer.
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