Litium-Ionen-Batterie
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Lithium-Ionen-Akku oder Lithium-Ionen-Akku ist eine Art Lithiumbatterie
Neue Technologien für die Elektromobilität
Smartphones, Bordkameras, Drohnen, Elektrowerkzeuge, elektrische Motorräder, Motorroller … heute sind Lithiumbatterien in unserem täglichen Leben einfach allgegenwärtig und haben viele Anwendungsfälle revolutioniert. Doch was bringen sie eigentlich und können sie sich noch weiterentwickeln?
Geschichte
In den 1970er Jahren wurde die Lithium-Ionen-Batterie von Stanley Whittingham eingeführt. Die Arbeit des Letzteren wurde 1986 von John B. Goodenow und Akiro Yoshino fortgeführt. Erst 1991 brachte Sony den ersten Akku seiner Art auf den Markt und löste damit eine technologische Revolution aus. Im Jahr 2019 wurden drei Miterfinder mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Wie funktioniert es?
Eine Lithium-Ionen-Batterie ist eigentlich ein Paket aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die elektrische Energie speichern und zurückgeben. Eine Batterie besteht aus drei Hauptkomponenten: einer positiven Elektrode, die Kathode genannt wird, einer negativen Elektrode, die Anode genannt wird, und einem Elektrolyten, einer leitfähigen Lösung.
Beim Entladen der Batterie gibt die Anode Elektronen durch den Elektrolyten an die Kathode ab, die wiederum positive Ionen austauscht. Während des Ladevorgangs ändert sich die Bewegung.
Daher bleibt das Funktionsprinzip das gleiche wie bei der „Blei“-Batterie, mit der Ausnahme, dass hier das Blei und das Bleioxid der Elektroden durch eine Kobaltoxid-Kathode einschließlich etwas Lily und einer Graphitanode ersetzt werden. Ebenso entsteht aus Schwefelsäure oder einem Wasserbad ein Elektrolyt aus Lithiumsalzen.
Heutzutage liegt der verwendete Elektrolyt in flüssiger Form vor, die Forschung geht jedoch in Richtung eines festen, sichereren und haltbareren Elektrolyten.
Vorteile
Warum hat die Lithium-Ionen-Batterie in den letzten 20 Jahren alle anderen verdrängt?
Die Antwort ist einfach. Diese Batterie bietet eine hervorragende Energiedichte und bietet daher die gleiche Gewichtseinsparung im Vergleich zu Blei, Nickel…
Diese Batterien haben außerdem eine relativ geringe Selbstentladung (maximal 10 % pro Monat), sind wartungsfrei und haben keinen Memory-Effekt.
Schließlich sind sie zwar teurer als ältere Batterietechnologien, aber billiger als Lithium-Polymer (Li-Po) und bleiben effizienter als Lithiumphosphat (LiFePO4).
Begrenztheit
Allerdings sind Lithium-Ionen-Akkus nicht ideal und weisen insbesondere bei vollständiger Entladung einen höheren Zellschaden auf. Damit sie ihre Eigenschaften nicht zu schnell verlieren, ist es daher besser, sie zu beladen, ohne zu warten, bis sie flach werden.
Erstens kann die Batterie ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellen. Wenn die Batterie überlastet ist oder unter -5 °C fällt, verfestigt sich das Lithium durch die Dendriten jeder Elektrode. Wenn Anode und Kathode über ihre Dendriten verbunden sind, kann die Batterie Feuer fangen und explodieren. Viele Fälle wurden von Nokia, Fujitsu-Siemens oder Samsung gemeldet, auch in Flugzeugen kam es zu Explosionen, so dass es heute verboten ist, einen Lithium-Ionen-Akku im Frachtraum mitzuführen, und die Landung in der Kabine ist oft leistungsmäßig begrenzt ( ab 160 Wh verboten und ab 100 bis 160 Wh genehmigungspflichtig).
Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, haben Hersteller daher elektronische Kontrollsysteme (BMS) eingeführt, die die Batterietemperatur messen, die Spannung regeln und im Falle einer Anomalie als Leistungsschalter fungieren können. Zur Umgehung des Problems werden auch Festelektrolyte oder Polymergele untersucht.
Um eine Überhitzung zu vermeiden, wird der Akku während der letzten 20 Prozent zudem langsamer geladen, sodass die Ladezeit häufig nur mit 80 Prozent angegeben wird.
Allerdings ist eine Lithium-Ionen-Batterie sehr praktisch für den täglichen Gebrauch und hat eine starke Auswirkung auf die Umwelt, zunächst durch die Gewinnung von Lithium, für die astronomische Mengen an Frischwasser erforderlich sind, und dann durch die Wiederverwertung am Ende ihrer Lebensdauer. Allerdings nimmt das Recycling bzw. die Wiederverwendung von Jahr zu Jahr zu.
Wie sieht die Zukunft des Lithium-Ions aus?
Da sich die Forschung zunehmend auf alternative Technologien konzentriert, die weniger umweltschädlich, langlebiger, billiger in der Herstellung oder sicherer sind, ist die Lithium-Ionen-Batterie an ihre Grenzen gestoßen?
Die Lithium-Ionen-Batterie, die seit drei Jahrzehnten im industriellen Maßstab betrieben wird, hat noch nicht das letzte Wort und die Entwicklungen gehen weiter, um die Energiedichte, die Ladegeschwindigkeit oder die Sicherheit zu verbessern. Wir haben dies im Laufe der Jahre gesehen, insbesondere im Bereich der motorisierten Zweiräder, wo der Roller vor 5 Jahren nur etwa fünfzig Kilometer hielt, einige Motorräder haben heute eine Reichweite von mehr als 200 Kilometern.
Es gibt auch viele revolutionäre Versprechen, wie die Nawa-Kohlenstoffelektrode, die zusammenklappbare Jenax-Batterie, die Betriebstemperatur von 105 °C im NGK …
Leider sieht sich die Forschung oft mit der harten Realität von Rentabilität und industriellen Anforderungen konfrontiert. Bis zur Entwicklung alternativer Technologien, insbesondere Lithium-Luft, auf die alle warten, hat Lithium-Ionen noch eine glänzende Zukunft vor sich, insbesondere in der Welt der elektrischen Zweiräder, wo Gewichts- und Platzbedarfsreduzierung wichtige Kriterien sind.
