Li-Ionen-Akkumulator

Li-Ionen-Akkumulatoren werden auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Li-Ion-Akkumulatoren, Li-Ionen-Batterien oder Li-Ion-Batterien genannt. Sie zählen zu den elektrochemischen Speichern.

Lithium-Ionen-Akkumulator ist ein Oberbegriff für eine große Anzahl technologischer Akkumulatorvarianten. Für die Elektroden und Elektrolyte werden viele verschiedene Materialien in unterschiedlichen Kombinationen verwendet. Es wird zudem kontinuierlich der Einsatz neuer Materialien erforscht. Hierdurch entstanden und entstehen immer wieder neue Zelltypen, so dass eine abschließende Übersicht über die verschiedenen Lithium-Ionen-Akkumulatoren nicht möglich ist.

Einige Beispiele für unterschiedliche Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind: Lithiumtitanat-Akkumulatoren (LTO), Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren (LCO), Lithium-Mangan-Akkumulatoren (LMO, LNMO), Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LFP), Lithium-Luft-Akkumulatoren oder Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren.

Die beim Entladen positive Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators besteht in der Regel aus Lithiumlegierungen oder Lithium-Metalloxiden. Die beim Entladen negative Elektrode besteht häufig aus Graphit, Silizium oder gelegentlich auch aus Lithium-Titanaten.

Als Elektrolyt werden flüssige, meist organische Elektrolyte verwendet, die durch Gelbildung auch in einen quasi festen Zustand gebracht werden können. Da Lithium sehr reaktiv ist und mit vielen Elementen und Verbindungen, auch mit Wasser, unter Freisetzung von Wärme heftig reagiert, können keine wässrigen Elektrolyte verwendet werden.

Für die Elektrolyte in Lithium-Ionen-Akkus werden daher in wasserfreien, meist organischen Lösungsmitteln gelöste Lithiumsalze verwendet. Als Salze werden beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) oder seltener auch Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄) eingesetzt. Als organische Lösungsmittel werden z. B. Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Acetonitril oder g-Butyrolacton verwendet. Weiterhin werden anorganische Lösungsmittel wie Thionylchlorid eingesetzt oder Polymerelektrolyte, Festelektrolyte oder ionische Flüssigkeiten verwendet.

In einem Lithium-Ionen-Akkumulator wandern die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden hin und her. Daraus leitet sich auch der Name dieses Akkumulatortyps ab.

Während des Ladevorgangs wird an der Metalloxid-Elektrode Lithium oxidiert. Das entstehende Ion wandert durch den Elektrolyten zur Graphit-Elektrode und wird dort wieder reduziert. Beim Entladen wird an der Graphit-Elektrode das eingelagerte Lithium wieder frei und wandert zur Metalloxid-Elektrode. Die Elektronen gleichen dabei die Ladungen aus und treiben so den externen Stromkreis an.

Auf der beim Entladen negativen Elektrode bildet sich eine Deckschicht aus Elektrolytzersetzungsprodukten. Diese lässt, wenn sie genügend ausgebildet ist, nur noch die kleinen Li⁺-Ionen durch, nicht aber die Elektrolytlösung. Die Li⁺-Ionen, werden, wenn sie sie die Deckschicht passiert haben, in das Elektrodenmaterial, z. B. in Graphit, eingelagert, sie schieben sich quasi zwischen die Graphitschichten. Diese Reaktion bezeichnet man als Interkalation. Interkalation bedeutet, dass sich eine bewegliche Gastspezies in ein Wirtsgitter einlagert, ohne das Bauprinzip der Wirtssubstanz zu zerstören. Im konkreten Fall der Lithium-Ionen-Akkus stellt die Gitterstruktur des Graphits das Wirtsgitter dar, in das sich die Li⁺-Ionen einlagern. Auf diese Weise entsteht ein Mischleiter, der meist eine bessere elektronische Leitfähigkeit besitzt als das reine Ausgangsmaterial.

Die Nennspannung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist abhängig vom jeweils verwendeten Elektrodenmaterial. Sie ist jedoch deutlich höher als bei den meisten andern Akkumulatortypen. Bei dem am weitesten verbreiteten System mit Lithiumkobaltoxidkathode und Graphitanode liegt sie bei ca. 3,7 V.

Die Ladeschlussspannung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bewegt sich in der Regel im Bereich von 4,1 bis 4,2 V. Sie muss sehr genau mit einer Toleranz von maximal 50 mV eingehalten werden, um eine Schädigung der Zelle zu vermeiden. Auch die maximale Entladespannung von 2,5 V sollte nicht unterschritten werden, da die Zelle sonst Schaden nehmen könnte.

Die Lithium-Technologie ist die jüngste der gängigen elektrochemischen Energiespeichertechnologien. Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben hohe Energiedichten, sind wartungsfrei und das Laden ist bei beliebigem Ladezustand möglich. Allerdings sind die Kosten im Vergleich zu anderen Speichertechnologien noch sehr hoch.

Li-Ionen-Batterien werden vor allem im Consumerbereich für portable Geräte mit hohem Energiebedarf wie Laptops, Kameras, Mobiltelefone etc., für Hochleistungswerkzeuge eingesetzt. Im Bereich der Elektromobilität werden sie für Pedelecs, Elektroautos oder Hybridfahrzeuge eingesetzt. Perspektivisch sollen sie auch im Bereich regenerative Energien und Großspeicher Anwendung finden.

Englische Übersetzung(en):

lithium-ion battery