Hintergrund rund um Lithium-Ion-Akku als Technologie der Energiewende

Die Speichertechnik Li-Ion-Akku gilt als die mit der größten Chance zur Massenfertigung und damit zur Verwendung im Elektroauto. Die Speichertechnologie basiert auf dem Leichtmetall Lithium, das als kostbar und schwer abbaubar gilt. Insbesondere im Bereich Consumer Electronic haben die Li-Ion-Akkus, schon seit einigen Jahren eine marktbeherrschende Stellung errungen. Der Massenfertigung vom Li-Ion-Akku für deren Verwendung in Notebooks, Handys und anderen Geräten ist auch der technische Fortschritt bei Forschung und Entwicklung des Speichermediums zu verdanken.

In dem Akkutypus wird die elektrische Energie in Lithium-Atomen (negative Elektrode) und Übergangsmetall-Ionen (an positiver Elektrode) gespeichert. Dabei 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 Stromfluss beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selber (weitgehend) elektrisch neutral bleiben. Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode.

An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Li-Ion das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht Elektronen-hungrigen Übergangsmetallionen. Je nach Akkutyp können das Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Eisen-Ionen usw. sein. Das Lithium liegt im Entladungs-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 Graphit-Ebenen einlagern. Man spricht von einer Interkalationsverbindung. Wesentlich für das Funktionieren ist die Ausbildung einer schützenden Deckschicht auf der negativen Elektrode, die für die kleinen Li-Ionen durchlässig, für Lösungsmittelmoleküle jedoch undurchlässig ist. Ist die Deckschicht ungenügend ausgebildet, kommt es zur Interkalation von Li-Ion mitsamt der Lösungsmittelmoleküle, wodurch die Graphit-Elektrode irreversibel zerstört wird.

Li-Ion-Akku: Größte Energiedichte

Lithium-Ion-Akkus haben die größte Energiedichte. Diese liegt bei mindestens 150 bis theoretisch über 500 Wh/kg bei Li-Luft-Akkumulatoren. Eine hohe Strombelastbarkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht und Volumen zeichnen Lithium-Ion-Akkus weiterhin haus. Hinzu kommt, dass dieser Batterietypus besonders Niedertemperatur-beständig ist.

Batteriespeicher ohne Memory-Effekt

Ein Lithium-Ion-Akku haben generell keinen Memory-Effekt, die Selbstentladung ist niedrig, allerdings temperaturabhängig. Die Akkus tolerieren keine Tiefentladung, die Schäden verursachen kann. Ein Lithium-Ion-Akku beruht auf dem Austausch von Lithium-Ionen und wird auch als Ionen-Transfer-Batterie bezeichnet. Beim Laden und Entladen einer Lithium-Zelle wandern Lithium-Ionen zwischen der Anode und der Kathode hin und her und setzen dabei elektrische Energie frei. Li-Ionen-Technik wird auch in Starter-Batterien genutzt, bisher aber nur vereinzelt in Sportwagen der gehobenen Preiskategorie.

Die Elektroden weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf: In Standardzellen werden Metall-Sauerstoffverbindungen wie Kobaltoxid und Graphit als Elektroden-Materialien verwendet. Die Energiedichte von Lithium-Akkus wird hauptsächlich durch das Kathodenmaterial bestimmt.

Batteriesysteme: Viele Varianten möglich

Mittlerweile gibt es eine ganze Familie an Li-Ion-Akku in Varianten von Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, über Lithium-Mangan, Lithium-Titanat, Lithium-Luft-Akkus bis hin zu den umweltfreundlichen Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren. Das bedeutet: Viele Varianten sind für Batteriesysteme heute möglich. Durchgesetzt im E-Auto haben sich zwischenzeitlich die Li-Ion-Akkus mit Nickel, Mangan und Kobalt durchgesetzt.

Deutliche Sprünge haben aber die Lithium-Eisenphosphat-Batterien gemacht – diese galten lange als ungeeignet für das Elektroauto. Tesla hat diesen Akkutyp aber in Fahrzeugen eingesetzt, die keinen Premium-Reichweiten-Ansprüchen genügen müssen. Seitdem sind weitere Autobauer gefolgt und gehen ähnliche Wege. Aber die Akkutechnologie geht immer weiter: Beinahe täglich liest man von Durchbrüchen. So hat CATL beispielsweise mit der Produktion von Natrium-Ion-Akkus begonnen.

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