Lithium-Ionen-Akkumulator

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Lithium-Ionen-Akkumulator

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (auch Lithium-Ionen-Akku, Li-Ion-Akku, Li-Ionen-Sekund√§rbatterie, Lithium-Akkumulator oder kurz Li-Ion; [ňąliňźti äm][1], oft f√§lschlich [ňąliňźtsi äm] ausgesprochen, also mit s-Laut) ist ein Akkumulator auf der Basis von Lithium. Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch hohe Energiedichte aus. Er ist thermisch stabil und unterliegt keinem Memory-Effekt.[2] Weiterentwicklungen des Li-Ionen-Akkus sind der Lithium-Polymer-Akku, der Lithium-Titanat-Akku, die Super Charge Ion Battery [3], der Lithium-Luft-Akkumulator, der Lithium-Mangan-Akkumulator, der Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, der Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Akkumulator, der Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulator und der Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator.[4]

Lithium-Ionen-Akkumulator mit 1000 mAh
Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau

Inhaltsverzeichnis

Prinzip

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 n√∂tig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben. Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches √ľber den externen Stromkreis zur positiven Elektrode flie√üt. 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 ‚Äěelektronenhungrigen‚Äú √úbergangsmetallionen. Je nach Akkutyp k√∂nnen 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 f√ľr das Funktionieren der Interkalation ist die Ausbildung einer sch√ľtzenden Deckschicht auf der negativen Elektrode, die f√ľr die kleinen Li+-Ionen durchl√§ssig, f√ľr L√∂sungsmittelmolek√ľle jedoch undurchl√§ssig ist. Ist die Deckschicht ungen√ľgend ausgebildet, kommt es zur Interkalation von Li+-Ionen mitsamt den L√∂sungsmittelmolek√ľlen, wodurch die Graphitelektrode irreversibel zerst√∂rt wird.

Aufbau

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

Das Innere eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist v√∂llig wasserfrei (Gehalt an H2O < 20 ppm), an etwaigen Besch√§digungen eindringendes Wasser reagiert unter starker W√§rmeentwicklung mit Brand- und Verpuffungsgefahr. Der Elektrolyt besteht aus in aprotischen L√∂sungsmitteln wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan gel√∂sten Lithiumsalzen wie LiPF6.

An Materialien kommen unter anderem folgende zum Einsatz:

Negative Elektrode
  • Graphit (Interkalation von Lithium)
  • Nanokristallines, amorphes Silizium (Interkalation von Lithium)
  • Li4Ti5O12 (Lithium-Titanat-Akku)
  • SnO2 Zinndioxid
Elektrolyt
  • Salze, wie LiPF6 (Lithiumhexafluorophosphat) oder LiBF4 (selten) in wasserfreien aprotischen L√∂sungsmitteln (z. B. Ethylencarbonat, Diethylcarbonat etc.)
  • Polymer aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP)
  • Li3PO4N Lithiumphosphatnitrid
Positive Elektrode

Reaktionsgleichungen

Negative Elektrode (Entladung):

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

Positive Elektrode (Entladung):

\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.

Eigenschaften

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

Wegen der Vielzahl an m√∂glichen Materialien f√ľr Anode, Kathode und Separator ist es schwierig, allgemeing√ľltige Aussagen f√ľr Lithiumionakkus zu treffen. Hinzu kommt die fortw√§hrende Verbesserung durch die Batteriehersteller, die in den letzten Jahren insbesondere auf den bekannten Problemfeldern wie Haltbarkeit und Sicherheit erhebliche Verbesserungen erzielen konnten, w√§hrend die Energiedichte nur im vergleichsweise geringen Umfang erh√∂ht wurde.

Kein Memory-Effekt[2]
Selbstentladung
sehr gering
Lebensdauer
Generell ist die Lebensdauer stark abh√§ngig von den verwendeten Materialien und deren Qualit√§t, insbesondere deren Reinheit, sowie vom Umgang mit dem Akku. Sehr hochwertige Zellen verlieren auch nach mehreren Jahren im Einsatz und zigtausenden Lade- und Entladezyklen nur einen sehr geringen Teil ihrer Kapazit√§t und Leistung und verhalten sich entsprechend ‚Äěfast wie neu‚Äú.[5]
Die Mehrheit der in Endverbraucherger√§ten verbauten Lithium-Ionen-Akkus der ersten Generationen hatte aber nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnte der Nutzer schon nach einem Jahr erheblichen Kapazit√§tsverlust feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithium-Ionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazit√§tsverlust weniger von der Zahl der Lade- und Entladezyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je h√∂her die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall. Als Grund hierf√ľr werden in der Regel parasit√§re unumkehrbare chemische Reaktionen genannt.[6]
Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Li-Ion-Akkus mit l√§ngerer Haltbarkeit verkauft. Apple gibt f√ľr die in die MacBooks eingebauten Akkus beispielsweise an, dass nach f√ľnf Jahren und 1000 Zyklen immer noch 80 % der Anfangskapazit√§t zur Verf√ľgung stehen.[7] Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen gelernten Anwendungsregeln (Betrieb und Lagerung bei m√∂glichst tiefer Temperatur; Lagerung nur im teilgeladenen Zustand; generell weder ganz vollladen noch ganz entladen) d√ľrfte die mit den genannten moderneren Akkus tats√§chlich erzielbare Zyklenzahl noch deutlich h√∂her ausfallen.
Coulomb-Effizienz
typischerweise ann√§hernd 100 %,[5] das hei√üt, fast der gesamte in den Akku geladene Strom kann diesem auch wieder entnommen werden. Nur w√§hrend der ersten Zyklen ist die Coulomb-Effizienz geringer, da ein Teil der Li-Ionen mit der Elektrolytl√∂sung an der Anode und Kathode irreversibel unter Ausbildung von Deckschichten reagiert.
Energie-Effizienz
Auch wenn es keine nennenswerten Stromverluste gibt, so gibt es doch Spannungsverluste, da sich der Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen jeweils dem Stromfluss entgegenstellt. Typische Gesamtwirkungsgrade betragen somit um die 90 %.[5] Werden im Verh√§ltnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkus besonders kleine Lade- und Entladestr√∂me verwendet, k√∂nnen auch weit √ľber 90 % erreicht werden.
Material Spannung
LiCoO2 3,6 V
LiMnO2 3,7‚Äď3,8 V
LiFePO4 3,3 V
Li2FePO4F 3,6 V
Spannung
Ein konventioneller Lithium-Ionen-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators (NiMH-Akku) ist. Die Ladeschlusspannung liegt bei bis zu 4,2 Volt. Die Entladeschlusspannung betr√§gt 2,5 Volt; eine Tiefentladung f√ľhrt zu irreversibler Sch√§digung und Kapazit√§tsverlust. Die Zellenspannung h√§ngt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab und ist daher von Akkutyp zu Akkutyp leicht unterschiedlich.[8]
Material Gravimetrische
Kapazität
LiCoO2 110‚Äď190 mAh/g
LiMnO2 110‚Äď120 mAh/g
Li2FePO4F 95‚Äď140 mAh/g
Leistungsdichte
Die Leistungsdichte liegt typischerweise bei 300‚Äď1500 W/kg.[9]
Energiedichte
Die Energiedichte ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und liegt bei 95‚Äď190 Wh/kg, beziehungsweise 250‚Äď500 Wh/l, je nach verwendeten Materialien. Anwendungen, die eine besonders lange Lebensdauer ben√∂tigen, 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 m√∂glichen Lade- und Entladezyklen √ľberproportional erh√∂ht, aber die nutzbare Energiedichte entsprechend absenkt.[8]

Hinweise zum Umgang mit Li-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akku von VARTA

Viele der im Folgenden f√ľr den Umgang mit klassischen Li-Ionen-Akkus zu beachtenden Anwendungshinweise gelten f√ľr dessen aktuelle Weiterentwicklungen nur mehr eingeschr√§nkt oder gar nicht.

Ladung
Die Ladespannung betr√§gt typischerweise 4,2 V. Da Li-Ion-Akkus keinen Memory-Effekt kennen und auch nicht formiert werden m√ľssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Zuerst wird mit konstantem Strom geladen, der idealerweise zwischen 0,6 und 1 C liegen sollte. Die Abk√ľrzung C steht hier f√ľr den auf die Kapazit√§t bezogenen relativen Ladestrom (d.h. A/Ah)[10] und ist nicht mit der Einheit Coulomb (d.h. As) zu verwechseln; ein Ladestrom von 0,75 C bedeutet, dass ein Akku mit einer Kapazit√§t von 1 Ah mit 0,75 A geladen wird. Erreicht der Akku eine Zellenspannung von 4,2 V, wird diese Spannung gehalten, bis der Ladestrom fast auf Null zur√ľckgefallen ist. Die Ladung wird mit Erreichen von 3 Prozent des Anfangsstroms beendet oder wenn der Ladestrom nicht mehr weiter absinkt.[8] Die Ladeschlussspannung von produktabh√§ngig 4,1 V bis 4,2 V muss mit weniger als 50 mV Toleranz eingehalten werden. Zwar gibt es Schnellladeelektroniken, die mit bis zu 2 C laden, jedoch wird die Verk√ľrzung der Ladezeit durch Kapazit√§ts- und Lebensdauerverlust des Akkus erkauft. Liegt die Zellenspannung unterhalb der Tiefentladeschwelle, l√§dt die Ladeelektronik bis zum Erreichen der Mindestspannung zun√§chst nur mit geringer Stromst√§rke.[2] Neue Entwicklungen wie etwa die SCiB erlauben durch ihren geringen Innenwiderstand auch ohne Einbu√üen der Lebensdauer erheblich h√∂here Ladestr√∂me von √ľber 10 C.
Entladung
Die Spannung des Li-Ion-Akkus sinkt w√§hrend der Entladung kaum ab; erst kurz vor der vollst√§ndigen Entladung geht die Zellenspannung stark zur√ľck.[11] Entladeschlussspannung ist 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden. Bei Entladung mit 0,2 C (das entspricht einem Entladestrom in H√∂he von einem F√ľnftel des Nominalwerts der Nennkapazit√§t) k√∂nnen typabh√§ngig etwa 500 (Lithium-Cobalt) bis 4000 (Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator) Ladezyklen durchgef√ľhrt werden, bis die Kapazit√§t des Akkus auf 80 % seiner Ursprungskapazit√§t zur√ľckgefallen ist. Bei Entladung mit h√∂heren Stromst√§rken altert der Akku aufgrund der durch die h√∂heren Str√∂me entstehenden thermischen Belastung erheblich schneller. Idealerweise sollte ein Li-Ion-Akku mit 0,2 C belastet werden, ein Akku mit einer Kapazit√§t von 5 Ah also mit maximal 1 A.[12]
Idealer Ladungszustand
Es ist empfehlenswert, Li-Ionen-Akkus ‚Äěflach‚Äú zu zyklen, wodurch sich deren Lebensdauer verl√§ngert. Das Entladen unter 51 Prozent sollte vermieden werden, da es bei ‚Äětiefen Zyklen‚Äú zu gr√∂√üeren Kapazit√§tsverlusten aufgrund irreversibler Reaktionen in den Elektroden kommen kann. Der Akku altert schneller, je h√∂her seine Zellenspannung ist, daher ist es zu vermeiden, einen Li-Ion-Akku st√§ndig 100 Prozent geladen zu halten.
√úberladung
Bei einem Überladungsversuch wird der Akku durch seine Überwachungselektronik 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 eines Li-Ion-Akkus lagert sich metallisches Lithium an der Anode ab. Das Kathodenmaterial wird zum oxidierenden Element und verliert seine Stabilität. Dadurch heizt sich der Akku auf und kann sogar in Brand geraten.[8]
Tiefentladung
Bei einer Tiefentladung schaltet eine interne Sicherung den Akku, meist nur tempor√§r, ab. Es liegt dann an den externen Kontakten des Akkupacks √ľberhaupt keine Spannung mehr an, das hei√üt er kann nicht noch weiter entladen werden. Manche Ladeger√§te weigern sich, einen derartig defekt anmutenden Akku wieder zu laden, da in diesem Fall an den externen Kontakten keine Spannung messbar ist. Der Akku wird jedoch von seiner Schutzelektronik wieder an die Kontakte geschaltet, sobald eine √§u√üere Spannung anliegt. In solchen F√§llen kann es helfen, ein anderes Ladeger√§t zu verwenden. Wenn eine Zelle auf unter 1,5 V entladen wurde, sollte sie nicht mehr verwendet werden, denn mit hoher Wahrscheinlichkeit haben sich Br√ľcken ausgebildet, die zu einem Kurzschluss f√ľhren. Die Zelle wird instabil und erhitzt sich stark. Es besteht Brandgefahr.
Ladegeräte
Herk√∂mmliche Li-Ionen-Akkus d√ľrfen nur mit einer speziellen Ladeschaltung geladen werden. Die Elektronik steuert den ladungsabh√§ngigen Ladestrom und √ľberwacht insbesondere die exakt einzuhaltende Ladeschlussspannung. Auch bei vorhandener interner Schutzschaltung sollte nur mit passenden Ger√§ten geladen werden. Schnell-Ladeger√§te sollten immer unter Aufsicht und m√∂glichst nicht in der N√§he brennbarer Materialien benutzt werden.
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.[13] Integrierte Schaltkreise sind sehr preisg√ľnstig geworden; daher k√∂nnen Li-Ion-Akkus heute in Verbindung mit einer Elektronik (BMS = Battery Management and Monitoring System) betrieben werden, was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp erheblich erh√∂ht hat. Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugr√∂√üe ist diese Elektronik meist integriert; sie dient zum Schutz gegen Tiefentladung, √úberladung und thermische √úberlastung. Eine selbstr√ľckstellende Sicherung verhindert √úberstrom beziehungsweise Kurzschluss. Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps abgestimmt. Akku-Packs, in denen zur Spannungserh√∂hung mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, verf√ľgen oft auch √ľber eine Elektronik, die durch sog. ‚ÄěCell-Balancing‚Äú-Ladung und Entladung f√ľr jede einzelne Zelle individuell regelt.[14][15]
Betriebs- und Umgebungstemperatur
Da bei K√§lte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkus bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosit√§t der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erh√∂ht sich auch beim Lithium-Ionen-Akku bei K√§lte der Innenwiderstand, womit die abgebbare Leistung sinkt. Zudem k√∂nnen die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um ‚ąí25 ¬įC einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0‚Äď40 ¬įC an. Optimal sind 18‚Äď25 ¬įC. Unter 10 ¬įC kann durch den erh√∂hten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange f√ľr den Betrieb eines Camcorders oder einer Digitalkamera ausreicht. Es gibt aber Li-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis ‚ąí54 ¬įC eingesetzt werden k√∂nnen.
Lagerung
Der Ladezustand soll 55‚Äď75 % betragen, k√ľhle Lagerung ist vorteilhaft. Die Elektrolyte in der Zelle d√ľrfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um ‚ąí25 ¬įC entspricht. Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 ¬įC bei einem Ladestand von 60 % ‚Äď ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung. Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 55‚Äď75 % nachgeladen werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren d√ľrfen sich auch bei Lagerung nicht unter 2,5 V pro Zelle entladen.

Gefahren beim Umgang mit Li-Ionen-Akkus

Viele der im Folgenden aufgef√ľhrten Risiken, die beim Umgang mit klassischen Li-Ionen-Akkus zu beachten sind, konnten bei den neuesten Weiterentwicklungen durch die Verwendung keramischer Separatoren eliminiert werden. Ohne diese Schutzmassnahmen neigen Li-Ionen zu thermischem Durchgehen, wie beispielsweise bei:

Mechanische Belastung
Mechanische Besch√§digungen k√∂nnen zu inneren Kurzschl√ľssen f√ľhren. Die hohe Stromst√§rke l√§sst das Geh√§use schmelzen und in Flammen aufgehen. Unter Umst√§nden ist der Defekt nicht unmittelbar zu erkennen. Auch 30 Minuten nach der Besch√§digung kann es noch zum Brand kommen.
Chemische Reaktionen
Lithium ist ein hochreaktives Metall. Auch wenn es wie bei Lithiumbatterien ‚Äěnur‚Äú als chemische Verbindung vorliegt, sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus leicht brennbar. Ausgleichsreaktionen beim √úberladen, zum Beispiel die Zersetzung von Wasser zu Knallgas wie bei anderen Akkus, sind nicht m√∂glich. Li-Ionen-Akkus sind zwar hermetisch gekapselt, dennoch sollten sie nicht in Wasser getaucht werden; (defekte) Lithium-Zellen reagieren grunds√§tzlich heftig mit Wasser,[16] insbesondere in voll geladenem Zustand. Brennende Akkus d√ľrfen daher nicht mit Wasser, sondern sollten zum Beispiel mit Sand gel√∂scht werden. In den meisten F√§llen besteht im Falle eines Brandes lediglich die M√∂glichkeit, auftretende Folgebr√§nde zu l√∂schen und den Akku kontrolliert abbrennen zu lassen. Die Elektrolytl√∂sung ist meist brennbar. Ausgelaufene Elektrolytl√∂sung eines Li-Ionen-Akkus kann fern vom Akku mit Wasser abgewaschen werden.
Thermische Belastung
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb werden bislang (bis auf den Mercedes-Benz S 400 Hybrid, dessen Li-Ionen-Akku jedoch gegen thermische √úberlastung in den Klimaanlagenkreislauf eingebunden ist) mit Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren betrieben, weil Lithium-Ionen-Akkumulatoren f√ľr Autos im Extremfall nicht sicher genug sind. Bei thermischer Belastung kann es in den Lithium-Ionen-Akkus zum Schmelzen des Separators und damit zu einem Kurzschluss mit verheerenden Folgen kommen. Neuartige keramische, temperaturbest√§ndigere Separatoren gew√§hren allerdings eine erh√∂hte Sicherheit.
Brand
Interne Schutzschaltungen wie Temperatursensoren oder eine Spannungs√ľberwachung sollen bei √úberladung oder √úberlastung eine Entz√ľndung der brennbaren Elektrolytl√∂sung verhindern. Falls allerdings keine Schutzelektronik vorhanden oder selbige defekt ist, kann der Akku Feuer fangen. Li-Ionen-Akkus d√ľrfen, wie andere Akkumulatoren auch, nicht kurzgeschlossen werden. Durch Kurzschluss (auch mit Metallschmuck oder Werkzeugen) k√∂nnen Feuer oder Verbrennungen verursacht werden. Moderne Li-Ionen-Phosphat-Zellen sind durch Keramikfolien besser gegen √úberladen und mechanische Besch√§digung abgesichert.

Anwendungsbereiche

Bereits in den 1970er Jahren wurden an der TU M√ľnchen das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetall-Ionen-Interkalation in Kohlenstoff-Anoden [17][18] und oxidische Kathoden [19][20] sowie dessen Anwendung in Lithium-Batterien [21][22] erforscht und ver√∂ffentlicht, auch wenn hier das Funktionsprinzip der Verwendung von Halbleitern, insbesondere Siliziummaterialien, als Elektroden nicht erkannt wurde.

Im November 1989 wurde in Deutschland ein Patent[23] f√ľr 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 erh√§ltliche Li-Ionen-Akku wurde von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8-8-mm-Videokamera CCD TR 1 eingesetzt.

Li-Ionen-Akkus versorgen tragbare Ger√§te mit hohem Energiebedarf, f√ľr die herk√∂mmliche Nickel-Cadmium- beziehungsweise Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu gro√ü w√§ren, beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen oder Taschenlampen. Sie dienen bei der Elektromobilit√§t als Energiespeicher f√ľr Pedelecs, Elektro- und Hybridfahrzeuge. Auch im RC-Modellbausektor haben sie sich etabliert. Neuerdings werden Lithium-Ionen-Akkus bei Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und bei Gartenger√§ten verwendet.

Ressourcenverbrauch

Je nach Art des Lithium-Akkus werden f√ľr eine Kilowattstunde Speicherkapazit√§t etwa 80 Gramm (Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator) bis 130 Gramm (Lithium-Mangan- und Lithium-Cobalt-Akkumulator) reines Lithium ben√∂tigt.

Der Massenanteil von Lithium in der Erdkruste ist etwa dreimal h√∂her als der von Blei. Lithium ist allerdings gleichm√§√üiger verteilt, es sind nur wenige Lagerst√§tten mit hohen Lithiumanteilen bekannt. Wegen der Nachfragesteigerung und der damit verbundenen Preissteigerung geht man seit einigen Jahren dazu √ľber, auch Salzseen mit einem geringen Lithiumgehalt (h√§ufig weniger als 0,15 Prozent) f√ľr die Lithiumgewinnung zu nutzen. Prominentestes Beispiel ist hierf√ľr die Salar de Uyuni in Bolivien. Lithium, beziehungsweise das h√§ufigste Vorprodukt Lithiumcarbonat, wurde fr√ľher meist als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Borax und Pottasche gewonnen. Heute wird es meist als Hauptprodukt und nur noch bei der Tantalf√∂rderung als Nebenprodukt gewonnen. Der Marktpreis[24] f√ľr Lithiumcarbonat liegt derzeit bei etwa 4,50 US-Dollar pro Kilogramm (Stand: 2008).

Die bei diesen Marktpreisen wirtschaftlich f√∂rderbaren Lithiumressourcen sind bei weitem nicht in der Lage, beispielsweise die weltweite Umstellung der Kraftfahrzeuge auf Elektroantrieb mit Lithium-Akkus zu decken. Dies hat vereinzelt zu Bef√ľrchtungen gef√ľhrt, dass die sich anbahnende Elektrifizierung des Stra√üenverkehrs aufgrund begrenzter Ressourcen an Lithium nicht durchf√ľhrbar sei. Diese Bedenken konnten aber leicht zerstreut werden, denn die Kosten f√ľr die Lithiummineralien spielen f√ľr die Kosten der Lithium-Akkus nur eine sehr untergeordnete Rolle. F√ľr die Produktion von Lithium-Akkus wird metallisches Lithium ben√∂tigt, dessen Preis je nach Marktlage sehr stark schwankt (ca. 60 USD/kg im Jahr 1998 und ca. 550 USD/kg im Jahr 2008). Metallisches Lithium wird in einem relativ energieaufwendigen Prozess aus Lithiumcarbonat oder anderen Lithiumverbindungen gewonnen, vergleichbar mit der Gewinnung von reinem Silizium aus Sand. Neben der nicht mit der rasant wachsenden Nachfrage nach metallischem Lithium mithaltenden Produktionskapazit√§t ist vor allem dieser aufw√§ndige Produktionsprozess f√ľr die hohen Kosten des Lithiums verantwortlich. Die Kosten der Exploration und des Abbaus der Lithiummineralien spielen im Vergleich zu diesem Kostenfaktor praktisch keine Rolle.

In einer Studie[25] aus dem Jahr 1975 werden die Kosten f√ľr die Extrahierung von Lithium aus Seewasser auf 22 bis 32 US-Dollar pro Kilogramm gesch√§tzt. Selbst wenn man diese Kosten f√ľr heute um den Faktor 10 multiplizieren m√ľsste, wird der Preis f√ľr metallisches Lithium dadurch sehr viel weniger beeinflusst als durch die wechselnde Nachfrage. Die Menge des in den Ozeanen gel√∂sten Lithiums √ľbersteigt den Bedarf, der durch die vollst√§ndige Elektrifizierung des weltweiten Verkehrs entst√ľnde, um viele Gr√∂√üenordnungen. Selbst f√ľr die Pufferung von Wind- und Solarstrom aller Stromnetze weltweit sind die Lithiumvorr√§te weit mehr als ausreichend.

Bei einer erfolgreichen Einf√ľhrung der Kernfusion zur Stromerzeugung w√ľrde eine Verwendungskonkurrenz auftreten, da Lithium die nach derzeitigem Stand beste Quelle f√ľr die Herstellung des ben√∂tigten Tritiums w√§re (siehe Fusionsreaktor).

Aktuelle Entwicklungen

Im April 2006 schrieb eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, einen Prozess entwickelt zu haben, der f√ľr die Herstellung von Nanometer-gro√üen Dr√§hten Viren verwendet. Damit k√∂nnen ultrad√ľnne Lithium-Ionen-Akkus mit der dreifachen der bisher m√∂glichen Energiedichte hergestellt werden.[26]

Im Juni 2006 stellten Forscher aus Frankreich Akku-Elektroden in Nanometer-Größe her, die ein Mehrfaches der Energiedichte im Vergleich zu gewöhnlichen Elektroden besaßen.[27]

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.[28]

Im Dezember 2007 berichteten Forscher der Stanford University von einem neuen Anodenmaterial f√ľr Lithium-Ionen-Akkus mit dem zehnfachen der bisher erreichten Energiedichte. Sie verwendeten dazu Silizium-Nanodr√§hte auf rostfreiem Stahl.[29] Es wird die Tatsache genutzt, dass Silizium als Tr√§germaterial gr√∂√üere Mengen Lithium einlagern kann als Graphit; die geringe Gr√∂√üe der Dr√§hte l√∂st das Problem des Aufbrechens der Anode. Allerdings ist die Anode nur ein Teil des Akkus; bei unver√§nderter Kathode, Separator und Elektrolyt ist entsprechend nur eine deutlich geringere Gesamtsteigerung der Energiedichte zu erwarten. Der Leiter des Forschungsteams, Yi Cui, erwartet, dass diese Technologie in etwa f√ľnf Jahren kommerziell erh√§ltlich sein wird.[30] Einen √§hnlichen Ansatz mit nanopor√∂sem Silicium[31] verfolgt das Team von Jaephil Cho von der Hanyang University in Ansan, S√ľdkorea.

Am 12. M√§rz 2009 wurde eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus durch die beiden MIT-Forscher Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder ver√∂ffentlicht, die sowohl die Lade- als auch die Entladegeschwindigkeit drastisch (10 Sekunden statt 6 Minuten f√ľr einen kleinen Test-Akku) erh√∂ht.[32] Die Entwickler erwarten, dass diese Akkus in relativ kurzer Zeit kommerziell verf√ľgbar sein werden, da keine neuen Materialien f√ľr die neue Technologie gebraucht werden.

Etwa im Juni 2011 berichteten Forscher der japanischen Firma Sumitomo Electric Industries, dass f√ľr den Fall, dass der Ableiter der Kathode, welcher √ľblicherweise aus Aluminiumfolie besteht, durch den Werkstoff Aluminium-Celmet ersetzt werden w√ľrde, dies eine Erh√∂hung der Akkumulator-Energiedichte um einen Faktor von 1,5 bis 3 erm√∂glicht. [33]

Lithiumtitanat-Akkumulator

Der Lithiumtitanat-Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei der die herk√∂mmliche Graphitanode durch eine nanostrukturierte Lithiumtitanat-Anode ersetzt wird. Die wesentlich st√§rkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberfl√§chenschicht auf der Elektrode, die eine der Hauptgr√ľnde f√ľr die schnelle Alterung vieler herk√∂mmlicher Li-Ion-Akkus ist. Dadurch wird die Zahl der m√∂glichen Zyklen drastisch erh√∂ht. Dadurch, dass das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann, wird auch das thermische Durchgehen des Akkus verhindert, selbst bei mechanischen Sch√§den. Au√üerdem kann der Akku aufgrund der Lithiumtitanat-Anode im Gegensatz zu herk√∂mmlichen Lithium-Ionen-Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von -40 ¬įC bis +55 ¬įC betrieben werden.

Die Lithiumtitanat-Anode besitzt dar√ľber hinaus eine effektiv wirksame Oberfl√§che von 100 m2 pro Gramm im Vergleich zu 3 m2 pro Gramm einer Graphitelektrode.[34] Dadurch werden sehr kurze Ladezeiten und eine sehr hohe Leistungsdichte von etwa 4 kW/kg erreicht. Die Energiedichte liegt mit 70‚Äď90 Wh/kg hingegen vergleichsweise niedrig.

Lithium-Polymer-Akkumulator

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Wie beim Lithium-Ionen-Akku besteht die negative Elektrode aus Graphit, die Positive aus Lithium-Metalloxid. Jedoch enthalten Lithium-Polymer-Akkus keinen fl√ľssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige Folie vorliegt. Die Bauform der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschr√§nkungen.

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator

Der Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator (LiFePO4-Akkumulator) ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herk√∂mmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladestr√∂me, eine sehr gute Temperaturstabilit√§t und eine lange Lebensdauer aus. Die Nominalspannung betr√§gt 3,2 V beziehungsweise 3,3 V, die Energiedichte betr√§gt 100‚Äď120 Wh/kg, die Leistungsdichte etwa 1,8 kW/kg.

Lithium-Luft-Akkumulator

Der Lithium-Luft-Akkumulator[35] ist eine neue Entwicklung durch das IBM Almaden Research Center, in der die Kathode durch Luft ersetzt wird. Als Anode dient metallisches Lithium, das vollst√§ndig an der Reaktion teilhaben kann. Da der f√ľr die Reaktion ben√∂tigte Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen werden kann, wird die Kapazit√§t einer Lithium-Luft-Zelle alleine durch die Gr√∂√üe der Lithium-Anode bestimmt. Die theoretisch erreichbare Energiedichte liegt, wenn man die Masse des Sauerstoffs nicht ber√ľcksichtigt, bei rund 11.000 Wh/kg bei einer Nominalspannung von 2,96 V. IBM geht von einer kommerziell erreichbaren Energiedichte von etwa 1000 Wh/kg aus, nahezu dem zehnfachen der Energiedichte der heute k√§uflichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren. In einer f√ľr den maritimen Einsatz gedachten Variante des Lithium-Luft-Akkumulators wird der Sauerstoff aus Meerwasser bereitgestellt.

Bei diesem Akku besteht die Zelle aus vier Lagen, die jeweils eine positive und eine negative Elektrode sowie einen festen Elektrolyten beinhalten. Jede Lage hat 3,6 Volt und ist extra beschichtet, zusammen ergibt sich eine Zellspannung von 14,4 Volt. Die Zellen sind in einem flachen Geh√§use platziert, welches nur eine Gr√∂√üe von 10 x 10 Zentimeter hat. Die Elektroden und Elektrolyte bestehen aus Lithium-Cobalt-Dioxid sowie Graphit und Sulfiden. Ein Vorteil der Lithium-Feststoff-Technologie gegen√ľber herk√∂mmlichen Lithium-Ionen-Speichern ist ihre Eigenschaft, schnell Energie aufnehmen und hohe Leistungen verarbeiten zu k√∂nnen. Daraus resultiert im Vergleich zu bisherigen L√∂sungen letztlich eine h√∂here Ausgangsleistung.

Im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Akkus sind die Lithium-Feststoff-Akkus gekennzeichnet durch ihre Hitzebest√§ndigkeit, so k√∂nnen die Feststoff-Akkus selbst bei Temperaturen um 100 Grad Celsius arbeiten, w√§hrend Lithium-Ionen-Speicher anfangen zu brennen oder die fl√ľssigen Bestandteile zu kochen beginnen. Ein weiterer Vorteil des Lithium-Feststoff-Akkus ist, dass er keine aufw√§ndige K√ľhlung erfordert. Daher ben√∂tigt man weniger Platz bei gleicher Leistung oder verf√ľgt √ľber mehr Leistung bei gleichem Platzbedarf.

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Der Duden in 12 B√§nden. Duden 06: Max Mangold, Das Aussprachew√∂rterbuch, 6. Auflage, 2005, ISBN 3-411-04066-1, S. 514
  2. ‚ÜĎ a b c Lithium-Ionen-Akku. In: ITWissen.
  3. ‚ÜĎ Justin Thomas (Bloggername: cephoe): New lithium-ion battery recharges to 90 % capacity in 5 minutes. In: MetaEfficient Reviews. 24. November 2008.
  4. ‚ÜĎ Markus Pflegerl: Zinn-Schwefel-Li-Ionen-Akku: St√§rker, langlebiger und sicherer. In: wattgehtab.com. 15. M√§rz 2010.
  5. ‚ÜĎ a b c Life-Cycle Testing of Mars Surveyor Program Lander Lithium-Ion Battery Achieved Over 10,000 Low-Earth-Orbit Cycles. In: NASA.gov. 16. Oktober 2006.
  6. ‚ÜĎ Isidor Buchmann: "Will Lithium-Ion batteries power the new millennium?" September 2008.
  7. ‚ÜĎ Neue Macbook-Pro-Modelle mit 13 und 15 Zoll. In: golem.de. 8. Juni 2009.
  8. ‚ÜĎ a b c d Charging lithium-ion batteries. In: BatteryUniversity.com. M√§rz 2006.
  9. ‚ÜĎ E-One Moli Energy: Ank√ľndigung einer neuen Zelle (Archivversion vom 11. M√§rz 2007)
  10. ‚ÜĎ TecChannel.de: Akkus: Kurzlebig ab Werk ‚Äď Seite 4 von 15
  11. ‚ÜĎ Lithium-Ionen-Akku. In: qsl.net.
  12. ‚ÜĎ Bernhard Haluschak: Akkus: Kurzlebig ab Werk. In: Tecchannel. 23. September 2005.
  13. ‚ÜĎ Isidor Buchmann: Wann wurde die Batterie erfunden? In: Batterien-Montage-Zentrum GmbH.
  14. ‚ÜĎ Battery Management Systems (BMS). In: Electropaedia.
  15. ‚ÜĎ Multi-Cell Li-ion Battery Pack OCP/Analog Front End bei intersil
  16. ‚ÜĎ YouTube: Lithium and Water
  17. ‚ÜĎ 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).
  18. ‚ÜĎ 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).
  19. ‚ÜĎ R. Schallhorn, R. Kuhlmann, and J. O. Besenhard, Topotactic Redox Reactions and Ion Exchange of Layered MoO3 Bronzes,, Mat. Res. Bull., 11, 83 (1976).
  20. ‚ÜĎ J. O. Besenhard and R. Schallhorn, The Discharge Reaction Mechanism of the MoO3 Electrode in Organic Electrolytes‚ÄĚ J. Power Sources, 1, 267 (1976/77).
  21. ‚ÜĎ 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.
  22. ‚ÜĎ J.O. Besenhard, High Energy Density Lithium Cells. Part II. Cathodes and Complete Cells, J. Electroanal. Chem., 72, 1 (1976).
  23. ‚ÜĎ Patent DD290979: Galvanisches Element. Angemeldet am 10. November 1989, Erfinder: Peter Busch.
  24. ‚ÜĎ Marktpreis f√ľr Lithiumcarbonat (PDF-Datei)
  25. ‚ÜĎ Meyer Steinberg, Vi-Duong Dang: Preliminary Design and Analysis of a Process for the Extraction of Lithium from Seawater. 1975 (Lithiumextraktion aus Seewasser).
  26. ‚ÜĎ 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‚Äď888, doi:10.1126/science.1122716.
  27. ‚ÜĎ Kevin Bullis: Higher-Capacity Lithium-Ion Batteries. In: Technology Review. 22. Juni 2006.
  28. ‚ÜĎ B. L. Ellis u. a.: A multifunctional 3.5‚ÄČV iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries. In: Nature Materials. 6, Nr. 10, 2007, S. 749‚Äď753, doi:10.1038/nmat2007.
  29. ‚ÜĎ New Nanowire Battery Holds 10 Times The Charge Of Existing Ones. In: ScienceDaily. 20. Dezember 2007 (Meldung auf Sciencedaily.com).
  30. ‚ÜĎ 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).
  31. ‚ÜĎ Peter Fairley: Realizing Lithium-Battery Potential. In: Technology Review. 3. Dezember 2008.
  32. ‚ÜĎ Rainer Kayser: Der Super-Akku. In: pro-physik.de. 12. M√§rz 2009.
  33. ‚ÜĎ Gernot Goppelt: ‚ÄěAluminium-Celmet‚Äú soll die Kapazit√§t von Lithium-Ionen-Batterien verdreifachen Heise-Internetportal, Rubrik ‚ÄěAuto‚Äú, Sektion ‚ÄěNews‚Äú, 30. Juni 2011
  34. ‚ÜĎ Duncan Graham-Rowe: Charge a battery in just six minutes. In: New Scientist. 7. M√§rz 2005.
  35. ‚ÜĎ Lithium/Air Semi-fuel Cells: High Energy Density Batteries Based On Lithium Metal Electrodes. In: Almaden Institute 2009. Scalable Energy Storage: Beyond Lithium Ion. 26.‚Äď27. August 2009.

Literatur

  • Lucien F. Trueb, Paul R√ľetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen f√ľr 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

 Commons: Lithium-Ionen-Akkumulator ‚Äď Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien



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