Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterie – Definition, Aufbau, Vorteile und Recycling von Altbatterien

Inhalt des Wiki-Artikels

• Lithium-Ionen-Batterie – Elektrochemischer Speicher für Autos und mobile Kommunikation
• Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle
• Lithium-Ionen-Akkus für E-Autos
• Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien
• Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterie – Elektrochemischer Speicher für Autos und mobile Kommunikation

Eine Lithium-Ionen-Batterie ist ein elektrochemischer Speicher mit einem Elektrolyten, der Lithium-Ionen leitet. Batterien sind sogenannte galvanische Zellen, die in ihnen gespeicherte chemische Energie wird beim Gebrauch durch eine Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Sie lassen sich in nicht wiederaufladbare Primärzellen und wiederaufladbare Sekundärzellen unterteilen. Wiederaufladbare Batterien werden auch Akkumulator oder Akku genannt. Lithium-Ionen-Batterien gehören zu den Sekundärzellen.¹

Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Eine Lithium-Ionen-Zelle verfügt über zwei Elektroden, die Anode und die Kathode. Bei der Anode handelt es sich um eine negative Elektrode, bei der Kathode um eine positive. Die Elektroden bestehen aus einem Stromableiter, auf dem ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Zwischen Anode und Kathode befindet sich der Elektrolyt, der die Ionen leitet, und ein Separator, der die elektronische Trennung von Anode und Kathode sicherstellt.

Die Anode einer Lithium-Ionen-Zelle ist zumeist aus Kupferfolie und einer Graphitschicht gefertigt. Statt Graphit kann für die negative Elektrode auch eine Lithium-Legierung genutzt werden. Sind die Anforderungen an Leistung und Sicherheit besonders hoch, bietet sich Lithium-Titanat an. Die Kathode besteht aus einem Aluminiumkollektor, auf den Mischoxide aufgebracht sind. Bei der Ladung einer Lithium-Ionen-Batterie ist die Oxidschicht die Quelle für Lithium. Für gewöhnlich werden Metalloxide mit Mangan, Kobalt oder Nickel verwendet. Manganoxide kommen häufiger zum Einsatz als Kobaltoxide, weil sie weniger umweltbelastend sind.

Zwischen den Reaktionen an den Elektroden beim Laden oder Entladen vermittelt der für den Lithium-Ionen-Transport zuständige Elektrolyt. Dazu muss er diversen Anforderungen genügen:

• Stabiles Verhalten in einem Spannungsbereich von 0 bis 4,5 Volt
• Gewährleistung einer hohen Leitfähigkeit
• Funktionalität im Temperaturbereich von – 40 °C bis + 80 °C

Lithium-Ionen-Batterien können einen flüssigen, einen polymeren oder einen festen Elektrolyten beinhalten. Flüssige Elektrolyten bestehen in der Regel aus einem Lithium-Ionen enthaltenden Leitsalz, dem ein nichtwässriges Lösungsmittel zugefügt wird. Die Feuchtigkeit muss möglichst gering gehalten werden, da die Anoden leicht mit Wasser reagieren und die Elektroden dadurch Schaden nehmen könnten.

Höhere Sicherheitsansprüche als flüssige erfüllen polymere Elektrolyten bei Lithium-Ionen-Akkus. Für Polymere ist kein starrer Behälter erforderlich, die Batterie kann in leichterer Bauweise verwirklicht werden. Ein Nachteil ist allerdings die geringere Leitfähigkeit gegenüber flüssigen Elektrolyten. Feste Elektrolyten werden derzeit nicht in der Praxis verwendet, weil es noch zu viele Nachteile gibt, wie zum Beispiel ihre niedrige Leitfähigkeit und die Einbringung in die Lithium-Ionen-Batterie.

Der Separator ist notwendig, um die beiden Elektroden voneinander zu trennen, denn ein direkter Kontakt kann zum Kurzschluss führen. Bei einem Großteil der Lithium-Ionen-Zellen unterbricht der Separator im Fehlerfall die Bewegung der Ionen von der Anode zur Kathode. Als Separatoren werden in Lithium-Ionen-Akkus unter anderem Polymer-Membrane, Glasfaserseparatoren und Vliesstoffe genutzt.²

Lithium-Ionen-Akkus für E-Autos

Ein Lithium-Ionen-Akku für Elektroautos setzt sich aus miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen und weiteren Komponenten zusammen. Mehrere Lithium-Ionen-Zellen werden zu einem Modul zusammengefügt, das ein Zellkontrollsystem beinhaltet. Anschließend werden mehrere Module mit elektronischen und mechanischen Komponenten zu einem Batteriesystem vereint. Eine entscheidende mechanische Komponente ist das isolierte Gehäuse, gegebenenfalls muss auch eine Kühlung samt Befestigungssystem in die Lithium-Ionen-Batterie einkalkuliert werden. Unter den elektronischen Komponenten ist das Batteriemanagement (BMS) hervorzuheben, die Kommunikationsschnittstelle zwischen E-Auto und Akku steuert und überwacht Lade- sowie Entladevorgänge.³

Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien

Wiederaufladbare Batterien gab es schon im 19. Jahrhundert, seitdem werden sie beständig weiterentwickelt. Zu den ältesten Sekundärzellen zählen Blei-Säure-Batterien, die bis heute in einigen Bereichen zum Einsatz kommen, zum Beispiel als Starterbatterie in einem Motorrad, Auto oder Wohnmobil. Nachteile von Blei-Säure-Batterien sind ihre geringe Energiedichte und die recht hohe Selbstentladung.

Deshalb haben sich Nickel-Cadmium-Batterien in vielen Bereichen durchgesetzt. Bei gleichem Energiegehalt haben sie ein geringeres Gewicht als Blei-Säure-Batterien, darüber hinaus sind sie sehr belastbar, kälteresistent und schnellladefähig. Jedoch sind sie aufgrund des enthaltenen Cadmiums umweltschädlich und weisen zudem eine schnelle Selbstentladung auf.

Der Lithium-Ionen-Akku stellt eine umweltverträglichere Alternative zur Nickel-Cadmium-Batterie dar. Weitere Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien sind ihre hohe Energiedichte und ihre relativ lange Lebensdauer. Vor allem bei tragbaren Geräten wie Smartphones und Laptops haben sich Lithium-Ionen-Akkus aufgrund ihrer Eigenschaften durchgesetzt. In der Informations- und Kommunikationstechnik finden Kathoden aus unterschiedlichen Materialien Verwendung, um Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich der Energiedichte, der Zyklenbeständigkeit, der Sicherheit oder der Kosten zu optimieren. Eine wichtige Rolle spielen Lithium-Ionen-Akkus außerdem in der Elektromobilität.⁴

Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien unterliegen im Hinblick auf die Inbetriebnahme, Lagerung, Außerbetriebsetzung und Entsorgung gewissen Sicherheitsvorgaben und gesetzlichen Vorschriften. Bei sachgemäßer Handhabung ist die gasdicht verschlossene Lithium-Ionen-Batterie nicht schädlich. Sollte sie beispielsweise durch einen Unfall beschädigt werden, sind Sofortmaßnahmen nach Herstellerangabe anzuwenden, denn der Akku kann verschiedene chemische Inhaltsstoffe enthalten. Lithium-Ionen-Akkus sollten trocken und kühl gelagert werden. Das Symbol der durchgestrichenen Mülltonne auf Lithium-Ionen-Batterien weist darauf hin, dass sie nicht im Hausmüll entsorgt werden dürfen. Alte Batterien können kostenlos bei der Verkaufsstelle oder einem Entsorgungsbetrieb abgegeben werden.

In der europäischen Batteriegesetzgebung sind Recycling- und Sammelquoten festgesetzt. Batteriehersteller sind zur Organisation eines Rücknahmesystems verpflichtet. Alle zurückgegebenen Lithium-Ionen-Akkus, bei denen es technisch möglich und wirtschaftlich zumutbar ist, müssen recycelt werden. Ist kein Recycling mehr möglich, sind die alten Lithium-Ionen-Batterien nach dem Stand der Technik schadlos zu beseitigen.⁵