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Li-Ionen-Akku-Funktionsweise Carmenfarben
Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwenden als negative Elektrode in der Regel Graphit mit eingelagerten Lithium-Ionen. Als Materialien für die positive Elektrode werden je nach Typ des Li-Ionen-Akkus unterschiedliche Lithium-Metalloxide verwendet. Beispiele sind hier Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickeloxid (LiNiO2) oder auch Lithium-Manganoxid (LiMn2O4). Als Elektrolyt werden Lithiumsalze gebraucht. Da Lithium eine sehr hohe Reaktivität aufweist, können keine wässrigen Lösungsmittel im Elektrolyt verwendet werden.

Der Vorteil dieser Technologie liegt in der Tatsache, dass die Lithium-Ionen keine chemischen Verbindungen eingehen, sondern lediglich durch die Elektronenaufnahme bzw. –abgabe zwischen dem atomaren Schichtgitter des Graphits und der Gitterstruktur der Metalloxide wandern und sich dort einlagern. Das Entladen des Akkus erfolgt dabei durch Auslagerung der Ionen aus der Graphitkathode und dem Einbau in die Metalloxid-Anode. Beim Beladen des Akkus erfolgt die Bewegung der Ionen in die andere Richtung.

Alle Typen weisen gegenüber Bleiakkumulatoren eine deutlich höhere nutzbare Kapazität auf. Sie zeichnen sich zudem über eine stärkere Entladetiefe (ca. 80 %) und eine deutlich höhere Zyklenzahl (bis zu 7.000) sowie eine geringere Selbstentladung aus. Ein weiterer Vorteil liegt in der höheren Energiedichte von bis zu 200 Wh/kg. Allerdings stehen diesen Vorteilen Nachteile im Bereich der Sicherheit und der Kosten sowie der Ressourcenverfügbarkeit entgegen.
Im Folgenden werden einige Li-Ionen-Akkus aufgeführt:

 

  • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator

Die positive Elektrode dieses Lithium-Ionen-Akkus besteht aus Lithiumcobaltdioxid (LiCoO2), die negative Elektrode aus Graphit.
Mit dieser Technologie können sehr hohe Leistungsdichten erreicht werden, allerdings besteht auch die Gefahr der Überhitzung, welche z. B. durch unkontrolliertes Überladen entstehen kann. Es kann dann zu einer sich selbst verstärkenden chemischen Reaktion, dem sog. "thermal runaway" („thermisches Durchgehen“) kommen. Diesem Effekt kann durch ein in den Speicher integriertes intelligentes Batteriemanagementsystem entgegengewirkt werden. 

 

  • Lithium-Polymer-Akkumulator

Hier bestehen die positive Elektrode wieder aus einem Lithium-Metalloxid, die negative Elektrode aus Graphit. Als Elektrolyt wird eine Folie auf Polymerbasis verwendet, die gleichzeitig als Separator zwischen den Elektroden fungiert. Da diese nicht flüssig ist, muss nicht zwangsmäßig ein festes Gehäuse verwendet werden, so dass dieser Akku-Typ in unterschiedlichen Formen verbaut werden kann. Die Zellen können in Folienbauweise hergestellt werden, wobei die Dicke einer Zelle weniger als 0,1 mm beträgt.
Da die Energiedichte und damit die Kapazität des Lithium-Polymer-Akkus nicht höher sind als bei anderen Lithium-Ionen-Akkus, konnte sich dieser Akku-Typ nur in Nischen durchsetzen. Der Einsatz dieser Akkumulatoren erfolgt besonders dort, wo ultradünne Geometrie (z. B. bei Kreditkarten) bzw. Flexibilität notwendig sind. Lithium-Polymer-Akkumulatoren werden heute oft in Mobiltelefonen verwendet. 

 

  • Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator

Bei dieser Technologie ist die positive Elektrode als Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode ausgeführt. Auf der Anodenseite findet sich wiederum Graphit. Diese Materialkombination erhöht speziell die Leistungsdichte dieses Akkus. Auch hier ist wegen der Verwendung eines festen Elektrolyts ein thermisches Durchgehen so gut wie ausgeschlossen, was diesen Akku-Typ sehr sicher macht.

 

  • Lithium-Titanat-Akkumulator („nano-safe-battery“)

Der Lithium-Titanat-Akku ersetzt das Graphit der negativen Elektrode durch ein nanostrukturiertes Lithium-Titanat (Li4Ti5O12). Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Titanoxid und weist einen ähnlichen Aufbau wie die Lithium-Metalloxidelektroden auf. Dieser Akku-Typ zeichnet sich durch seine besonders lange Lebenszeit, seine extrem hohe Leistung und den weiten Betriebstemperaturbereich (zwischen -35 °C bis +75 °C) aus. Diese Vorteile resultieren unter anderem aus der größeren Oberfläche durch die Nanostruktur des Akkus. Allerdings besitzt dieser Akkumulator aufgrund seiner relativ geringen Zellspannung nur eine geringe Energiedichte.

 


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