Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus und ihre Funktionsweise

Die aus verschiedenen Einzelzellen zusammengesetzten Lithium-Ionen-Akkus sind durch ihren speziellen Aufbau und die verbauten Materialien besonders leistungsstark. So bleiben sie selbst bei längerem Betrieb in ihrer Kapazität konstant. Auch Zwischenladungen sind bei den innovativen Batterien jederzeit möglich, sodass sie problemlos im Mehrschichtbetrieb eingesetzt werden können. Wie Lithium-Ionen-Akkus aufgebaut sind, welche Metalle sie enthalten und wie die Akkus funktionieren, erfahren Sie in unserem Ratgeber.

Kleines Kraftpaket: Bestandteile von Lithium-Ionen-Akkus

Ein Lithium-Ionen-Akku setzt sich aus vielen Einzelzellen zusammen. Jede dieser Zellen ist immer gleich aufgebaut und enthält folgende Bestandteile:

• Positive Elektrode: Die Kathode des Akkus besteht aus Lithium-Metalloxid, das variable Anteile an Nickel, Mangan und Kobalt enthalten kann. Die Metalloxide werden auch als Übergangsmetall bezeichnet.
• Negative Elektrode: Die Anode ist meist aus Grafit gefertigt.
• Elektrolyt: Damit sich die Lithium-Ionen als Ladungsträger in der Zelle bewegen können, ist wasserfreies Elektrolyt enthalten. Darin sind Salze wie Lithiumhexafluorophosphat in einem aprotischen Lösungsmittel wie Diethylcarbonat gelöst. Bei Lithium-Polymer-Akkus wird an dieser Stelle ein Polymer aus Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen verwendet.
• Separator: Um Kurzschlüsse zu vermeiden, wird zwischen den Elektroden ein Separator aus Vliesstoffen oder polymeren Folien verbaut. Der Separator ist für Lithium-Ionen durchlässig und kann große Mengen der Ionen aufnehmen.

Der Separator – wesentlich für die sichere Funktion von Lithium-Ionen-Akkus

Der in Lithium-Ionen-Akkus verbaute Separator steuert und sichert die elektrochemischen Reaktionen im Innern der Batterie. Zum einen isoliert er dazu die beiden Elektroden voneinander, sodass es nicht zu internen Kurzschlüssen kommen kann. Gleichzeitig sorgt die spezielle durchlässige Bauweise dafür, dass ausschließlich Lithium-Ionen hindurchgelangen und sich so zwischen der negativen und positiven Elektrode bewegen können. Zusätzlich gewährleistet der Separator den Gasaustausch in den geschlossenen Lithium-Akku-Zellen.

Dazu muss das Bauteil aus mikroporösen Membranen gefertigt sein, die sich je nach Akkuleistung und -größe unterscheiden können. Dafür kommen entweder polymere Folien (wie in Lithium-Polymer-Akkus) oder auch hitzebeständige, keramische Separatoren zum Einsatz. Durch die Kombination von Vliesstoffen mit einer keramischen Beschichtung sind Separatoren besonders flexibel und dennoch temperaturbeständig bis 700° C.

Das Batteriemanagementsystem – Optimierung der Funktionen

Werden mehrere Zellen zu einem Modul zusammengefügt, enthält dieses üblicherweise ein integriertes Kontrollsystem. Die wichtigste elektrische Komponente ist das Batteriemanagementsystem (BMS). Dieses besteht aus mehreren Teilen: OBS (One Board Sense) und SCU (Stack Control Unit) befinden sich auf dem Modul; die BCU (Battery Control Unit) fasst alle Informationen der einzelnen Module zusammen. Als Gesamtes fungiert das BMS als Schnittstelle zwischen Gerät und Batterie. Zudem optimiert es Kapazität, Energie und Leistung des Akkumulators. Bei längerer Lagerung des Lithium-Ionen-Akkus verhindert es auch eine Tiefentladung, was zu einer verbesserten Lebensdauer des Akkus führt.

Hochwertige Metalle für einen funktionalen Aufbau von Li-Ionen Akkus

Durch die Bauweise, die ein Hin- und Herwandern von Lithium in ionisierter Form zwischen den Elektroden ermöglicht, ergibt sich auch der Name der modernen Batterien. Abhängig von den eingesetzten Elektrodenmaterialien werden Li-Ionen-Akkus in verschiedene Gruppen untergliedert. Die Funktionsweise bleibt gleich, jedoch kann die Energiedichte der Lithium-Ionen-Akkus, die Zellenspannung, die Temperaturempfindlichkeit, die Kapazität und der zugelassene Lade- und Entladestrom durch den Einsatz verschiedener Übergangsmetall-Ionen variieren. Der Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus kann wie folgt sein:

• Lithium-Polymer-Akkus: Als Elektrolyt wird hier eine Folie auf Polymerbasis verbaut, die eine gelartige Konsistenz aufweist. Dieser Aufbau erlaubt es, die Akkus besonders klein (weniger als 0,1 mm dick) und in verschiedenen Bauformen herzustellen. Mit einer Energiedichte von bis zu 180 Wh/kg sind sie sehr leistungsfähig, jedoch mechanisch, elektrisch und thermisch empfindlich.
• Lithium-Cobaltdioxid-Akkus: Die positive Elektrode dieses Akku-Typs besteht aus Lithium-Cobaltdioxid, die Anode aus Grafit. Diese Art von Akkus neigen bei Überlastung zu thermischem Durchgehen.
• Lithium-Titanat-Akkus: Hier sind die negativen Elektroden nicht aus Grafit, sondern aus gesintertem Lithium-Titan-Spinell gefertigt. Diese ermöglichen eine herausragende Schnellladekapazität sowie den Betrieb bei niedrigen Temperaturen bis zu -40° C. Die positiven Elektroden bestehen wiederum aus Lithium-Titanoxid.
• Lithium-Eisenphosphat-Akkus: Zellen dieses Akku-Typs haben jeweils eine Kathode aus Lithium-Eisenphosphat. Der Elektrolyt ist hier in fester Form vorhanden. Diese Akku-Modelle weisen eine geringere Energiedichte von bis zu 110 Wh/kg auf, neigen bei mechanischer Beschädigung aber nicht zu thermischem Durchgehen. Die Entladespannungskurve deutet auf einen Memory-Effekt bei diesen Akkus hin, der jedoch im Vergleich zu NiCd-Akkus sehr gering ausfällt.

Gut zu wissen: Da die in den Akkus verwendeten Rohstoffe zum einen wertvoll, zum anderen aber auch potenziell umweltschädigend sind, gelten bestimmte Vorschriften für die Entsorgung von Lithium-Ionen-Akkus. Nur so können die Komponenten ordnungsgemäß recycelt und Umweltschäden verhindert werden. Aufgrund ihrer Klassifizierung als Gefahrgut gelten auch beim Transport von Lithium-Batterien spezielle Regelungen.

Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus beim Auf- und Entladen

Die Funktion von Lithium-Ionen-Akkus basiert auf einem einfachen Prinzip: Die elektrische Energie in den Akkus wird durch einen chemischen Prozess gespeichert und für den Antrieb von Abnahmegeräten wie etwa Elektro-Hochhubwagen nutzbar gemacht.

Die Funktionsweise beruht wesentlich auf der konstanten Bewegung von ionisiertem Lithium zwischen den Elektroden. Der Lithium-Ionen-Fluss gleicht den externen Stromfluss beim Laden und Entladen der Akkus aus, sodass die Elektroden selbst elektrisch neutral bleiben:

1.       Entladen

Wird der Akku entladen – seine gespeicherte Energie also durch ein Endgerät genutzt – geben die Lithium-Atome an der negativen Elektrode je ein Elektron ab. Über den externen Stromkreis gelangt dieses wieder zur positiven Elektrode. Im gleichen Schritt bewegen sich Lithium-Ionen in derselben Anzahl von der negativen Elektrode durch den Elektrolyt und den Separator zur positiven Elektrode. Die Elektronen werden an der positiven Elektrode durch stark ionisierte sogenannte Übergangsmetall-Ionen aufgenommen. Diese können je nach Akku-Typ unterschiedlich sein. Anders als die Lithium-Ionen sind sie nicht beweglich.

2.       Aufladen

Beim Aufladen der Akkumulatoren-Zellen bewegen sich die nicht ionisierten Lithium-Atome von der positiven Elektrode durch den Separator wieder zu negativen Elektrode. Hier werden sie zwischen Grafitmolekülen eingelagert. Der Vorgang wird auch als Interkalation bezeichnet und durch das Laden mit Konstantstrom bis zur Erreichung des Nennstroms ausgelöst. Bei Erreichen der Ladeschlussspannung wird diese gehalten, während der Ladestrom sinkt.

FAQ zu Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Akkus

Bildquellen:
© gettyimages.de – alengo