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Lithium-Ionen-Akkus sind die leistungsfähigsten Energiespeicher, die es momentan auf dem Markt gibt: Sie weisen eine hohe Energiedichte auf, sind langlebig und wartungsarm und bleiben auch bei längerem Betrieb in ihrer Kapazität konstant. Auch Zwischenladungen sind bei den innovativen Batterien jederzeit möglich, sodass sie auch im Mehrschichtbetrieb eingesetzt werden können. Möglich machen das der Aufbau und die verwendeten Materialien in den Akkus. Lithium-Ionen-Akkus funktionieren dabei nach einem einfachen Prinzip: Hierbei wird die elektrische Energie in den Lithium-Ionen-Akkus durch einen chemischen Prozess gespeichert und für den Antrieb von Abnahmegeräten wie etwa Elektro-Staplern nutzbar gemacht.

Kleines Kraftpaket – der Aufbau 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 Lithium-Ionen-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 Graphit gefertigt.
  • Elektrolyt: Damit die Lithium-Ionen als Ladungsträger sich in der Zelle bewegen können, ist außerdem wasserfreies Elektrolyt enthalten. Hierin 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.

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

  • 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 besteht aus Graphit. Akkus dieses Typs neigen bei Überlastung zu thermischem Durchgehen.
  • Lithium-Titanat-Akkus: Hier sind die negativen Elektroden nicht aus Graphit, sondern aus gesintertem Lithium-Titan-Spinell gefertigt. Diese ermöglichen eine herausragende Schnellladekapazität sowie den Betrieb bei niedrigen Temperaturen bis zu -40° Celsius. Die positiven Elektroden bestehen wiederum aus Lithium-Titanoxid.
  • Lithium-Eisenphosphat-Akkus: Zellen dieses Akku-Typs haben jeweils eine Kathode aus Lithium-Eisenphosphat. Das Elektrolyt ist hier in fester Form vorhanden. Akkus dieses Typs 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.

Aufladen und Entladen – die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus

Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus 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:

Aufbau und Funktionsweise eines Lithium Ionen Akkus

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 der gleichen Anzahl von der negativen Elektrode durch das Elektrolyt und den Separator zur positiven Elektrode. Die Elektronen werden an der positiven Elektrode durch stark ionisierte sogenannte Übergangsmetall-Ionen aufgenommen. Das können je nach Akku-Typ unterschiedliche 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 Graphitmolekülen 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. Damit die Zellen nicht beschädigt werden oder es zu einer Überhitzung (Thermal Runway) kommt, ist in den meisten Lithium-Ionen-Akkus eine Lade-bzw. Schutzelektronik verbaut. Diese ist an die jeweilige Bauart der Zellen angepasst und stellt sicher, dass es weder zu einer Überladung noch einer Tiefentladung kommen kann.

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

Der in den Lithium-Ionen-Akkus verbaute Separator steuert und sichert die elektrochemischen Reaktionen im Innern des Lithium-Ionen-Akkus. 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 können 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 Akku-Leistung und -größe unterscheiden können. Hierfür 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.

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