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Lithium Ionen Akkumulator ˈliːtʰiʊm oder Lithium Akkumulator auch Lithiumionenakku Lithiumionen Akku Lithiumionen Sekund

Lithium-Ionen-Akkumulator

Lithium-Ionen-Akkumulator ([ˈliːtʰiʊm]-) oder Lithium-Akkumulator (auch Lithiumionenakku, Lithiumionen-Akku, Lithiumionen-Sekundärbatterie) ist der Sammelbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle. Die reaktiven Materialien – der negativen und der positiven Elektrode und des Elektrolyten – enthalten Lithiumionen.

Lithium-Ionen-Akkumulator in Flachbauweise
Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau

Es gibt zahlreiche verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Größe und Bauform, sondern auch in der chemischen Zusammensetzung ihrer Komponenten und haben auch verschiedene Spannungsbereiche. Für etwa zwei Jahrzehnte waren die meisten der auf den Markt gebrachten lithiumbasierten Akkumulatoren Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren. Heute werden vor allem die auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basierenden NMC-Akkumulatoren verkauft.

Die meisten Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeichnen sich durch eine höhere spezifische Energie (Energie pro Eigenmasse) als andere Akkumulatortypen aus. Auf Tiefentladung und auf Überladung reagieren sie meist nachteilig und brauchen deshalb ein geeignetes Batteriemanagementsystem (BMS). Die Kenndaten wie Zellspannung, Temperaturempfindlichkeit, Lade- und Entladeschlussspannung und der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom variieren bauartbedingt und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyten abhängig. Die Angabe des genauen Typs, beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator, ist aus diesem Grund informativer als die unspezifische Angabe des Oberbegriffs Lithium-Ionen-Akkumulator. Zusätzlich zu den Varianten aufgrund der Elektrodenmaterialien gibt es Varianten aufgrund verschiedener Elektrolyte: die Zelle kann einen flüssigen Elektrolyten enthalten oder als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein.

Geschichte

Bereits in den 1970er-Jahren wurden an der TU München das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetallionen-Interkalation in Kohlenstoff-Elektroden sowie oxidische Elektroden und deren Anwendung in Lithium-Batterien erforscht und veröffentlicht (Jürgen Otto Besenhard und andere), auch wenn damals die praktische Anwendbarkeit als Elektroden für Lithium-Batterien nicht erkannt wurde. In den 1970er-Jahren fand Stanley Whittingham ein vielversprechendes Kathodenmaterial für Lithiumbatterien in Form von Titandisulfid, das in seinen atomaren Zwischenräumen Lithiumionen aufnehmen kann. Mit einer Anode aus metallischem Lithium liefert eine Titandisulfid-Zelle eine Spannung von etwa 2 Volt. In der Zeit von 1977 bis 1979 wurden kleine Titandisulfid-Zellen mit einer Lithiumlegierung statt mit Lithium für Uhren verkauft.

In den späten 1970er-Jahren schlug Michel Armand ein Akkumulatorkonzept vor, bei dem sowohl an der Pluspolseite als auch an der Minuspolseite strukturstabile feste Materialien verwendet werden, die Lithium aufnehmen und wieder abgeben können, d. h. Interkalationsmaterialien. Beim Laden und Entladen pendeln Lithiumionen zwischen den Elektroden hin und her; das Konzept wurde wegen der Hin- und Herbewegung „Schaukelstuhlakku“ (rocking chair battery) genannt. Bruno Scrosati baute die ersten entsprechenden Zellen und vermaß den Spannungsverlauf beim 70-maligen Laden und Entladen. Damit war das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkumulators gefunden, es fehlten aber noch die für eine Kommerzialisierung nötigen kostengünstigen, möglichst leichten Materialien mit hoher Spannung.

Die Brauchbarkeit von Lithium-Cobalt(III)-oxid als Elektrodenmaterial für die Pluspolseite (bei der Entladung Kathode) wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough beschrieben, der an der University of Oxford arbeitete. Goodenough fand das Material nach systematischer Suche, ausgehend davon, dass er ein Metalloxid mit eingelagerten Lithiumionen für vielversprechender hielt als das Metallsulfid von Whittingham. Er erreichte Zellspannungen von 4 Volt. Die erfolgreiche industrielle Umsetzung gelang zuerst 1985 in Japan durch Akira Yoshino, Chemiker bei Asahi Kasei. Er baute auf dem Kathodenkonzept von Goodenough auf und verwendete für die Anode statt des reaktiven metallischen Lithiums Graphit, das Lithiumionen aufnehmen kann. Ein Vorteil neben dem relativ geringen Gewicht von Graphit ist seine hohe Haltbarkeit, da er als Interkalationsmaterial Lithiumionen aufnimmt, ohne dass das Elektrodenmaterial durch die chemische Reaktion mit dem Lithium „aufgebrochen“ wird.

Der erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Akku war damit der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO2-Akku, der von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8-Videokamera CCD TR 1 eingesetzt wurde. Die Batterie aus zwei seriell verschalteten Zellen hatte eine Spannung von 7,2 V und eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Bis heute (2016) werden Akkumulatoren dieser Bauform mit Kapazitäten bis 6900 mAh angeboten und in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt.

Whittingham, Goodenough und Yoshino erhielten 2019 für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie den Nobelpreis für Chemie.

Die Möglichkeit, das Graphit auf der Anodenseite durch Silizium zu ersetzen, wurde lange erforscht. Bei Graphit werden sechs Kohlenstoffatome benötigt, um ein Lithiumion zu binden, während ein Siliziumatom gleich vier Lithiumionen binden kann. Die theoretisch zehnfach höhere Leistungsdichte kann jedoch nicht voll ausgenutzt werden, da dann das Anodenmaterial auf die vierfache Größe aufquillt, was diese nach einigen Ladezyklen zerstört. Die Stabilisierung des Anodenmaterials wurde in einer Reihe von Ansätzen untersucht, die 2008 gegründete Ampirius gilt hier als Wegbereiter. Mitte der 2010er investierten mehrere Autohersteller in die Weiterentwicklung. Neben der Nanostrukturierung wurde dabei zuerst die Silizium/Kohlenstoff-Komposit-Anode zur Marktreife entwickelt. Die Massenproduktion von Batterien mit diesem Anodenmaterial setzte zwischen 2022 (Ampirius) und 2024 (Varta/Samsung/Group14) ein. Es wird erwartet, dass Silizium und Silizium-Komposite bis 2030 die reinen Graphit-Anoden weitgehend verdrängen werden.

Die Verwendung von Graphit und Silizium wird als Zwischenschritt zu Lithium-Metall-Anoden gesehen, die eine höhere volumetrischen Energiedichte aufweisen. Dieses Material wird in der Forschung wesentlich beim Lithium-Schwefel-Akkumulator untersucht. Im Jahr 2020 fanden Forscher der Columbia University heraus, dass die Zugabe von Kalium Lithium-Metall-Akkumulatoren (nicht: Lithium-Ionen-Akkumulatoren) langlebiger und sicherer macht. So verhindere das Kalium unerwünschte chemische Nebenreaktionen. In einer Arbeit mit einem neuen Elektrolyten am Helmholtz-Institut Ulm konnte 2021 eine hohe Stabilität erreicht werden, wobei eine Energiedichte der Zellen von 560 Wh/kg erreicht wurde. Man geht für Lithium-Metall-Anoden nicht von einer Einsetzbarkeit vor 2028 aus.

Anwendung

Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Mobiltelefone

Lithium-Ionen-Akkus versorgten anfangs hauptsächlich tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß waren, beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen, Softairwaffen oder Taschenlampen. Mittlerweile sind sie in fast allen Bereichen anzutreffen. Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Pedelecs, Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridfahrzeuge. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI erwartete 2020, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Zellen allein für die Elektromobilität bis 2030 um den Faktor 20 bis 40 steigen wird.

Auch im RC-Modellbau haben sie sich früh etabliert. Durch ihr geringes Gewicht sind sie, in Verbindung mit bürstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern, gut als Antriebseinheit im Flugmodellbau geeignet. Seit 2003 gibt es Lithium-Ionen-Akkus in Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und in Gartengeräten. In der Boeing 787 werden Lithium-Kobaltoxid-Akkus (LiCoO2) verwendet. Sie erhielten nach mehreren Bränden nachträglich eine Stahlummantelung. Andere Flugzeuge sind (2012) mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus ausgerüstet. Lithium-Ionen-Batterie-Systeme werden auch in Batteriespeichern eingesetzt.

Prinzip

Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (positive Elektrode: LiCoO2; negative Elektrode: Li-Graphit)

Im geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess mit Stoffänderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt. Im Akkumulator können Lithiumionen (Li+) frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern, wovon sich der Name des Akkus ableitet. Im Gegensatz zu den Lithiumionen sind die Übergangsmetall- und Graphit-Strukturen der Elektroden ortsfest und durch einen Separator vor einem direkten Kontakt geschützt. Die Mobilität der Lithiumionen ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.

Die negative Elektrode ist eine Graphit-Intercalationsverbindung mit der allgemeinen Zusammensetzung LixCn, wobei Lithium als Kation vorliegt. Beim Entladen gibt die Interkalationsverbindung Elektronen ab, die über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Gleichzeitig wandern gleich viele Li+-Ionen aus der Intercalationsverbindung durch den Elektrolyten ebenfalls zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithiumionen die Elektronen des externen Stromkreises auf, sondern die dort vorhandenen Strukturen der Übergangsmetallverbindungen. Je nach Akkumulatortyp können das Cobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisen-Ionen sein, die ihre Ladung ändern. Das Lithium liegt im entladenen Zustand des Akkumulators in der positiven Elektrode weiterhin in Ionenform vor.

Da die Affinität der Lithiumionen zum Material der positiven Elektrode größer ist als ihre Affinität zur negativen (Graphit-)Elektrode, wird beim Fließen von Lithiumionen von der negativen zur positiven Elektrode Energie freigesetzt.

Innerhalb beider Elektroden können sich Elektronen als Elektronengas frei bewegen und zu den externen Leitern wandern bzw. aus den Leitern in die Elektrode eintreten, nicht jedoch zwischen den Elektroden innerhalb des Akkumulators wandern. Die Trennwand (Separator) ist elektronenundurchlässig, was einen Kurzschluss verhindert.

Ausführungsformen

Zellchemie

Video: Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akkumulator?

Im Gegensatz zu den nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien und der Gruppe von Lithiumakkumulatoren, die metallisches Lithium im Aufbau nutzen, tritt in Lithium-Ionen-Akkumulatoren kein metallisches Lithium auf – das Lithium wird bei allen heutigen Lithium-Ionen-Akkumulatortypen im Wirtsgitter eines Trägermaterials gebunden. Wenn sich das Wirtsgitter dabei kaum verändert, spricht man von Interkalation. Je nach Typ werden im Rahmen der Herstellung von Akkus mit einer Speicherfähigkeit der Energiemenge von einer Kilowattstunde etwa 80 g bis 130 g chemisch reines Lithium benötigt. Lithium-Ionen, auch die in Akkumulatoren, sind monovalent (Li+), was – verglichen mit multivalenten Ionen wie Mg2+ oder Al3+ – einen wesentlich besseren Transport in Festkörpern erlaubt und damit die Nutzung von Interkalationsprozessen möglich macht. An Materialien werden unter anderem verwendet:

Materialien an der Pluspolseite

Positive Elektrode (beim Entladen: Kathode; beim Laden: Anode)

  • Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2, „LCO“) und verwandte Schichtverbindungen. Bei dem Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator besteht die positive Elektrode aus dem namensgebenden Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2). Im Jahr 2008 wurde in etwa 90 % aller verkauften Lithium-Ionen-Akkumulatoren LiCoO2 eingesetzt,
  • Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide kurz NMC oder auch NCM genannt, wie z. B. LiNi0,33Co0,33Mn0,33O2, die Mischoxide aus dem genannten LiCoO2, aus LiNiO2 und LiMnO2 sind. Eine manganfreie Variante ist das Oxid LiNi1−xCoxO2 Mit Stand 2019 galt diese Verbindung als die in Antriebsbatterien am meisten verwendete. Elektroautos einschließlich derer von Daimler oder BMW, aber abgesehen von den Produkten von Tesla und einigen chinesischen Herstellern, verwendeten mit Stand 2019 NMC-Akkumulatoren.
  • Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid („NCA“, LiNi1−x−yCoxAlyO2) ist eine Version des Lithium-Ionen-Akkumulators mit Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid als Kathodenmaterial z. B. LiNi0,85Co0,1Al0,05O2. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Energiedichte (240–270 Wh/kg bei zyl. Zellen im Format 18650) und lange Lebensdauer aus. NCA-Zellen werden als Antriebsbatterie vor allem von Panasonic und Tesla hergestellt.
  • Spinelle wie das Lithiummanganoxid LiMn2O4 („LMO“),
  • Beim Lithium-Mangan-Akkumulator wird Lithiummanganoxid als Aktivmaterial in der positiven Elektrode eingesetzt. Die negative Elektrode, bei Entladung des Akkumulators die Anode, besteht entweder aus herkömmlichem Graphit (Hochenergiezellen) oder aus einer amorphen Kohlenstoffstruktur (amorphous carbon, in Hochleistungszellen). Durch die größere Anodenoberfläche ergibt sich eine verbesserte Hochstromfestigkeit. Die Zellen werden mit Stand 2012 sowohl in Pedelecs und E-Bikes verschiedener Hersteller (u. a. vom Schweizer Pedelec-Hersteller Flyer), als auch in Hybridelektrokraftfahrzeugen (Bsp.: Nissan Fuga Hybrid, Infinity Mh) und Elektroautos (Bsp.: Nissan Leaf) eingesetzt. Großformatige Zellen für Antriebsbatterien fertigt beispielsweise AESC für Nissan.
  • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4-Akkumulator) ist eine Version des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herkömmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, eine sehr gute Temperaturstabilität und eine lange Lebensdauer aus. Die Nominalspannung beträgt 3,2 V beziehungsweise 3,3 V, die Energiedichte beträgt 100–120 Wh/kg. Weiterentwicklungen zur Verbesserung der technischen Eigenschaften sind Dotierungen mit Yttrium- (LiFeYPO4) und Schwefelatomen.
Bezeichnung (+)-Elektrodenmaterialien Abkürzungen Zell-Spannung typ. Betriebsbereich Laden (Ladeschluss-Spannung) Entladen (Cut-Off Spannung) Spezifische Energie Ladezyklen
Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator LiCoO2 ICR, LCO 3,6 V 3,0-4,2 V 0,7-1C (4,2 V) ≤ 1C (2,5 V) 150-200 Wh/kg 500-1000
Lithium-Mangan-Akkumulator LiMnO2 / LiMn2O4 IMR, LMO, LMS 3,7-3,8 V 3,0-4,2 V 0,7-1C (4,2 V) 1C, manche Zellen 10C (2,5 V) 100-150 Wh/kg 300-700
Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator LiNixMnyCozO2 INR, NMC, NCM 3,6-3,7 V 3,0-4,2 V 0,7-1C (4,2 V) 1C, manche Zellen 2C (2,5 V) 150-220 Wh/kg 1000–2000
Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator LiNixCoyAlzO2 NCA 3,6 V 3,0-4,2 V 0,7C (4,2 V) 1C (3,0 V) 200-260 Wh/kg 500
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator LiFePO4 IFR, LFP 3,2-3,3 V 2,5-3,65 V 1C (3,65 V) 1C, manche Zellen 25C (2,5 V) 90-120 Wh/kg 2000 und mehr

Materialien auf der Minuspolseite

Negative Elektrode (beim Entladen: Anode; beim Laden: Kathode)

  • Graphit und verwandte Kohlenstoffe, bei denen eine Interkalation von Lithium stattfindet, sind immer noch die wichtigsten Materialien,
  • nanokristallines, amorphes Silicium (Legierungsbildung mit Lithium),
    • poröses Silizium, bei Ampirius als Silizium-Nanodrähte auf einem Silizium-Nickel-Substrat
    • Silizium/Kohlenstoff-Komposite mit einem Gerüst auf Kohlenstoffbasis werden als Silicium-Carbon bezeichnet.
    • Silicium/Graphit/Kohlenstoff-Komposite (Si/G/C-Komposite) können teilweise Graphit zur Speicherung einsetzen und in verschiedenen Mischungsverhältnissen Silicium-Partikel in einer Kohlenstoffmatrix zur Leistungssteigerung hinzufügen.
  • Lithiumtitanat-Akkumulator ist eine Unterkategorie des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei der die herkömmliche Graphitelektrode (negativer Pol) durch eine gesinterte Elektrode aus Lithiumtitanspinell (Li4Ti5O12) ersetzt wird. Die wesentlich stärkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht, die eine der Hauptgründe für die schnelle Alterung vieler herkömmlicher Li-Ion-Akkus ist. Da das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann, wird auch das thermische Durchgehen des Akkumulators verhindert, selbst bei mechanischen Schäden. Außerdem kann der Akkumulator aufgrund der Lithiumtitanat-Anode im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von −40 bis +55 °C betrieben werden. Nachteilig ist die geringe Speicherdichte und der hohe Preis.
  • Zinndioxid (SnO2).
Bezeichnung (−)-Elektroden-material Abkürzungen Zell-Spannung typ. Betriebsbereich Laden (Ladeschluss-Spannung) Entladen (Cut-Off Spannung) Spezifische Energie Ladezyklen
Lithium-Graphit-Akkumulator (Standard-Lithium-Ionen-Zelle) C C 3,2 V-4,0 V 3,4-3,8 V 1C bis zu 10C 200-260 Wh/kg
Silicium-Carbon-Composite Si/C SCC 2,75 V-4,2 V 1C 330-450 Wh/kg 1000
Lithiumtitanat-Akkumulator Li4Ti5O12 LTO 2,4 V 1,8-2,85 V 1C (2,85 V) bis zu 10C (2,5 V) 50-80 Wh/kg 3000-7000

Elektrolyte

Alle genannten Elektrodenmaterialien können mit einem Polymerelektrolyten kombiniert werden, so dass ein Lithium-Polymer-Akkumulator entsteht. Üblich sind flüssige Elektrolyte in einem porösen Separator. Zur Anwendung kommen:

Separator

  • Polyolefin-Membran ohne und mit nanokeramischer Schicht,
  • High purity alumina (HPA) Separator.

Stromableiter

  • Kupferfolie an der Minuspolseite. Hier verwendet man nicht Aluminium, weil Aluminium an der negativen Elektrode mit Lithium reagieren würde,
  • Aluminiumfolie an der Pluspolseite. Hier verwendet man das kostengünstige und leichte Material, das in geeigneten Elektrolyten durch Passivierung vor Korrosion geschützt ist.

Reaktionsgleichungen

Im Folgenden sind beispielhaft die für den Lithium-Mangan-Akkumulator geltenden chemischen Reaktionsgleichungen bei Entladung und Ladung angeführt.

Negative Elektrode (Entladen):

Positive Elektrode (Entladen):

Redox-Gleichung:

Spezielle Bauweisen

Lithium-Polymer-Akkumulator

Der Lithium-Polymer-Akkumulator stellt keine eigenständige Zellchemie dar, wenngleich die Mehrzahl aller am Markt befindlichen Lithium-Polymer-Akkumulatoren vom Typ der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren sind und damit umgangssprachlich oft gleichgesetzt werden. Die wesentliche Eigenschaft des Polymer-Akkumulators ist die Art der Gestaltung des normalerweise flüssigen Elektrolyts, welcher als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis vorliegt und somit im mechanischen Aufbau der Zelle verschiedenartige Gestaltungen wie den Aufbau flacher Zellen erlaubt. Die äußere Form der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen.

Verschiedenartige Materialkombinationen

Potentiale in Abhängigkeit von den eingesetzten Kathoden- und Anoden-Aktivmaterialien

Es stehen zahlreiche Materialkombinationen zur Speicherung von Lithiumionen zur Verfügung. Die chemischen Speichermaterialien verändern die Eigenschaften des Akkumulators entscheidend, so dass diese zur Einstellung auf spezielle Anforderungen genutzt werden können. Die Abbildung zeigt zahlreiche Kathoden- und Anodenmaterialien in einer Gegenüberstellung und weist den Potentialunterschied der Materialien aus.

Durch die zusätzliche Verwendung unterschiedlicher spezieller Separatoren (z. B. Keramikseparatoren), Elektrolyte (z. B. Ionische Flüssigkeiten) und Verpackungsmaterialien können weitere Eigenschaften des Akkumulators eingestellt werden, so dass diese auch extremen Anforderungen gerecht werden können.

Als besondere Anforderungen an Lithium-Ionen-Akkumulatoren gelten:

  • Maximierung von Energiedichte (gewichts- oder volumenbezogen);
  • Schnellladefähigkeit und Leistungsdichte;
  • Hoch- und Niedrigtemperaturfestigkeit;
  • Stoßfestigkeit und Eigensicherheit;
  • Strahlungstoleranz (z. B. Gammastrahlung in der Luft- und Raumfahrt);
  • Hoch- und Niederdruckfestigkeit (bis Grobvakuum);
  • Spezielle Formfaktoren für Folienkörper oder Anschlusspole;
  • Amagnetismus sowie
  • Biegeflexibilität.
Sechseckiger Akkumulator für ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug

Obwohl diese Möglichkeiten bestehen, stützt sich die industrielle Massenfertigung auf die Verwendung von etablierten Speichermaterialien, wie z. B. Lithium-Cobalt(III)-oxid und Graphit. Nur wenige Spezialhersteller, wie z. B. das deutsche Unternehmen Custom Cells Itzehoe GmbH und das amerikanische Unternehmen Yardney Technical Products Inc., bieten Sonderlösungen an. Nebenstehende Abbildung zeigt einen vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) entwickelten Akkumulator, der in seiner Energiedichte, Druckresistenz und ungewöhnlichen Formgebung (sechseckig) für den Einsatz in einem Autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV) optimiert wurde.

Weitere Akkumulatortypen

Beim Dual-Carbon-Akkumulator bestehen beide Elektroden, sowohl die Kathode als auch die Anode, aus porösem Graphit. Dieser Akkumulatortyp befindet sich im Forschungsstadium und hat mit Stand 2019 noch keine wirtschaftliche Bedeutung. Er gehört nicht zu den Lithiumionenzellen im engeren Sinn, weil beim Entladen nicht wie üblich an der Pluspolseite Li+-Ionen eingelagert werden.

Bauformen

Ein Lithium-Ionen-Akku des Formfaktors 18650 neben einer Alkaline AA zum Vergleich.
Größenvergleich verschiedener Batteriezellen.

Handelsübliche Einzelzellen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden üblicherweise in zylindrischer Bauform, als mit speziellem Gehäuse konfektionierte Einzelzellen (prismatische Zelle) oder als Pouch-Zellen ausgeführt. Die zylindrische Bauform ist dabei mit einer fünfstelligen Zahl gekennzeichnet und ermöglicht so einen einfachen Austausch. Die ersten beiden Ziffern geben den Zelldurchmesser in Millimeter an, die dritte und vierte Stelle die Länge der Zelle in Millimeter. Diese Baugrößen sind nicht genormt und die Abmessungen weichen von Hersteller zu Hersteller nicht unerheblich von diesen Werten ab. In nachfolgender Tabelle sind beispielhaft einige übliche Zellgrößen mit den typischen Kapazitätswerten angegeben. Die konkreten Werte zu der Kapazität stellen grobe Richtwerte dar und sind vom konkreten Zelltyp und Hersteller abhängig.

Zellbe-
zeichnung 		Abmessungen
(ø × l in mm) 		Typische
Kapazität (in Ah) 		Bauform wie Hinweis/Verwendung
10180 10 × 18 0,3–0,4 2⁄5 AAA-Zelle
10280 10 × 28 0,3–0,4 2⁄3 AAA-Zelle
10440 10 × 44 0,3–0,4 AAA-Zelle/R03
13450 13 × 45 0,5–0,7 Einsatz in E-Zigaretten
14250 14 × 25 0,25–0,30 1⁄2 AA-Zelle
14430 14 × 43 0,6–0,7 4⁄5 AA-Zelle
14500 14 × 53 0,7–0,8 AA-Zelle/R6
14650 14 × 65 0,9–1,6
16340 16 × 34 0,6–1,0
16500 16 × 50 0,8–1,2
16650 16 × 65 2–3
17500 17,3 × 50,0 0,7–1,2 A-Zelle/R23
17650 17 × 65 1,2–2,5
18350 18 × 35 0,7–1,2
18500 18,3 × 49,8 1,1–2,2
18650 18,6 × 65,2 0,8–3,5 Weitverbreitet u. a. in Notebooks, Elektroautos, E-Zigaretten und Taschenlampen
21700 21 × 70 3–5 auch als 2170 bezeichnet, Anwendung bislang überwiegend in Elektroautos und E-bikes
22500 22,3 × 51,4 2,0–2,6 Ersatz für 3×AAA-Pack in Taschenlampen
23430 23 × 43 3,3–5,2 Sub-C-Zelle
25500 24,3 × 49,2 3,7–5,0
26500 26 × 50 2–4 C-Zelle/R14
26650 26,5 × 65,4 3,3–5,2 Weitverbreitet u. a. in Elektroautos
32600 ,032 × 61,9 5,5–6,0 D-Zelle/R20
4680 46 × 80 Tesla, in zukünftigen Elektroautos
4695 46 × 95 BMW, in zukünftigen Elektroautos
46120 46 × 120 BMW, in zukünftigen Elektroautos

Eigenschaften

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher (Ragone-Diagramm)

Da Lithium-Ionen-Akkumulator der Oberbegriff für eine Vielzahl an möglichen Kombinationen von Materialien für Anode, Kathode und Separator darstellt, ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen zu treffen. Je nach Materialkombination unterscheiden sich die Eigenschaften teilweise deutlich. Hinzu kommt die fortwährende Verbesserung durch die Akkuhersteller, die in den letzten Jahren insbesondere auf den bekannten Problemfeldern wie Haltbarkeit und Sicherheit erhebliche Verbesserungen erzielen konnten, während die spezifische Energie nur in vergleichsweise geringem Umfang erhöht wurde.

Allen Lithium-Ionen-Akkumulatoren gemeinsam ist, dass die Zellen gasdicht versiegelt sein müssen und lageunabhängig betrieben werden können. Die spezifische Energie liegt in der Größenordnung von 150 Wh/kg und die Energiedichte in der Größenordnung von 400 Wh/l, womit Lithium-Ionen-Akkumulatoren insbesondere im Bereich mobiler Anwendungen als elektrischer Energiespeicher interessant sind und den Aufbau kleiner und leichter Akkumulatoren erlauben. Die temperaturabhängige Selbstentladungsrate liegt im Bereich von nahe 0 % bis 8 % pro Monat, der typische Temperaturbereich für den Einsatz liegt bei ca. −30 °C bis +60 °C.

Wirkungsgrad

Spezifische Energie und Energiedichte

Die massenbezogene spezifische Energie ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und liegt bei 0,09–0,25 kWh/kg, die volumenbezogene Energiedichte liegt bei 0,2–0,5 kWh/l, je nach verwendeten Materialien. Anwendungen, die eine besonders lange Lebensdauer benötigen, beispielsweise für den Einsatz in Elektroautos, laden und entladen den Lithium-Ionen-Akku oft nur teilweise (z. B. von 30 bis 80 % statt von 0 bis 100 %), was die Zahl der möglichen Lade-Entlade-Zyklen überproportional erhöht, aber die nutzbare Energiedichte entsprechend reduziert.

Spannung

Material Spannung
LiCoO2 3,6 V
LiMnO2 3,7–3,8 V
LiFePO4 3,2-3,3 V
Li2FePO4F 3,6 V

Ein konventioneller LiCoO2-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators (NiMH-Akku) ist. Die Ladeschlussspannung liegt bei bis zu 4,3 Volt. Die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt; eine Tiefentladung führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Die Zellspannung hängt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab und ist daher von Akkutyp zu Akkutyp leicht unterschiedlich.

Ladevorgang

Batteriemanagementsystem

Lithium-Ionen-Akku-Überwachungselektronik (Über- und Entladungsschutz)

Ein weiteres Merkmal aller Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist, dass die Zellen von der Zellchemie her nicht imstande sind, Überladungen zu verkraften, weshalb dieser Akkutyp über lange Zeit nicht eingesetzt wurde, obwohl er bereits in den 1980er-Jahren entwickelt worden war. Da integrierte Schaltkreise sehr preisgünstig geworden sind, können Lithium-Ionen-Akkus heute in Verbindung mit einem Batteriemanagementsystem (Elektronische Schaltung, BMS) betrieben werden, was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp erheblich erhöht hat. Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugröße ist diese Elektronik meist integriert. Spezielle Laderegler dienen dem Schutz gegen Tiefentladung und Überladung. Die Elektronik steuert den ladungsabhängigen Ladestrom und überwacht insbesondere die exakt einzuhaltende Ladeschlussspannung. Eine selbstrückstellende Sicherung verhindert Überstrom beziehungsweise Kurzschluss. Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps abgestimmt. Akku-Packs, in denen zur Spannungserhöhung mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, verfügen oft zusätzlich über eine Elektronik, die durch sog. „Cell-Balancing“ den Ladezustand aller Zellen in einem Pack aneinander angleicht. Insbesondere muss die Ladung beendet oder der Ladestrom reduziert werden, wenn die erste Zelle die Maximalspannung überschreitet. Ebenso ist die Entladung zu beenden, wenn die erste Zelle die Minimalspannung unterschreitet. Bei der Integration einer solchen Überwachungselektronik in die Zelle vergrößern sich die Abmessungen der Akkumulatoren allerdings etwas, was im Falle von standardisierten Lithium-Ionen-Zellen wie der 18650 dazu führt, dass diese nicht mehr in handelsübliche Fassungen eingesetzt werden können, da sich die Länge um 3 bis 4 mm erhöht.

Ladeverfahren

Da Lithium-Ionen-Akkus keinen Memory-Effekt haben und auch nicht formiert werden müssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Bei den meisten handelsüblichen Akkus wird das CC-CV-Ladeverfahren (constant current–constant voltage charging) angewandt. Dabei wird der Akku solange mit einem konstanten Strom geladen bis die Ladeschlussspannung erreicht wird. Die Ladeschlussspannung ist abhängig von der Nennspannung des jeweiligen Akkutyps. Der Ladestrom sinkt dann mit der Zeit immer weiter ab, je voller der Akkumulator wird. Sobald der Strom einen bestimmten Wert (z. B. C/10 oder gar nur 3 Prozent des anfänglichen Stroms) unterschreitet oder er über einen längeren Zeitraum nicht mehr sinkt, wird die Ladung beendet. Die Höhe des Ladestromes wird je nach Akkutyp nach dem C-Faktor bemessen. Die Ladeschlussspannung von produktabhängig 3,6 V (LiFePO4) bis 4,3 V (LiMnO2) darf allenfalls mit einer geringen Toleranz (z. B. 50 mV) überschritten werden. Die Verwendung einer etwas niedrigeren Ladeschlussspannung ist hingegen unkritisch. Einer gewissen Verringerung der Kapazität steht meist eine deutliche Erhöhung der Zahl der nutzbaren Lade-Entlade-Zyklen gegenüber.

Ladezustandsanzeige in Smartphones

Mobiltelefone stellen den Ladezustand der enthaltenen Li-Ion-Batterie oft als Prozentangabe dar. Diese Angabe kann allerdings nur als Schätzung angesehen werden, da sie sich in der Regel an der gemessenen Batteriespannung orientiert, welche während der Entladung der Batterie abfällt. Der Zusammenhang zwischen Spannung und noch in der Batterie enthaltenen Energie ist jedoch nicht linear und stellt nur eine Annäherung dar.

Überladung

Droht eine Überladung, trennt die Überwachungselektronik die Zelle von der Stromquelle, bis die Elektronik eine Spannungsreduktion erkennt. Nicht alle auf dem Markt erhältlichen Akkus besitzen eine integrierte Überwachungselektronik. Bei Überladung einiger Typen von Lithium-Ionen-Akkus kann metallisches Lithium an der Kathode (Elektrolyse) reduziert werden und sich ablagern oder es wird Sauerstoff aus der Anode (Elektrolyse) freigesetzt. Letzterer gast bestenfalls durch ein Sicherheitsventil aus oder reagiert mit Elektrolyt oder Anode. Dabei heizt sich der Akkumulator auf und kann sogar in Brand geraten. Andere Lithium-Ionen-Akkus wie der LiFePO4-Akku sind thermisch stabil, werden aber bei Überladung ebenfalls irreversibel geschädigt.

Entladung

Die Spannung des Lithium-Ionen-Akkus sinkt während der Entladung zunächst recht schnell von der erreichten Ladeschlussspannung auf die Nennspannung (ca. 3,6 bis 3,7 V) ab, sinkt dann aber während eines langen Zeitraums kaum weiter ab. Erst kurz vor der vollständigen Entladung beginnt die Zellspannung wieder stark zu sinken. Die Entladeschlussspannung beträgt je nach Zellentyp um die 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden, sonst wird die Zelle durch irreversible chemische Vorgänge zerstört. Viele Elektronikgeräte schalten aber schon bei deutlich höheren Spannungen, z. B. 3,0 V, ab.

Es ist empfehlenswert, Lithium-Ionen-Akkus „flach“ zu (ent-)laden, da sich deren Lebensdauer so verlängert. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku immer von 100 % Ladezustand auf 0 % entladen wird, bevor er wieder geladen wird, erreicht er nur die minimale Zyklenzahl. Besser ist es, je nach Typ, z. B. 70 % Entladetiefe anzuwenden. Dies bedeutet, dass der Akku noch 30 % Restkapazität enthält, wenn er wieder geladen wird. Einige Hersteller geben die Zyklenlebensdauer in Abhängigkeit vom Entladungsgrad an.

Generell gilt, dass hohe Entladeströme sowohl die Nennkapazität eines Akkus senken, da dank des höheren Spannungsabfalls am Innenwiderstand die Entladeschlussspannung früher erreicht wird, als auch die Zyklenzahl aufgrund der höheren mechanischen und thermischen Belastung reduzieren. In früheren Veröffentlichungen wird noch auf einen optimalen Entladestrom von 0,2 C (das heißt einem Entladestrom in Höhe von einem Fünftel des Nominalwerts der Nennkapazität in Ah) hingewiesen. Bei einem Akku mit einer Kapazität von 5 Ah wären dies 1 A.

Tiefentladung

Zur Verhinderung einer Tiefentladung von Zellen schaltet das Batteriemanagement den Akku temporär ab. Im Falle einer integrierten Schutzelektronik kann dann an den Kontakten des Akkupacks keine Spannung mehr gemessen werden. Der Akku wird von der Schutzelektronik erst wieder an die Kontakte geschaltet, wenn eine äußere (Lade)Spannung anliegt. Ladegeräte, welche die Ladespannung erst freigeben, wenn sie erkennen, dass ein Akku angeschlossen wurde, laden solche Akkus unter Umständen nicht auf.

Tiefentladung führt meist zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Wenn eine Zelle auf unter 1,5 V entladen wurde, sollte sie nicht mehr verwendet werden, da sich dann mit einiger Wahrscheinlichkeit Brücken ausgebildet haben, die zu einem Kurzschluss führen.

Selbstentladung

Lithium-Ionen-Akku altern schneller bei höherem Ladezustand und höheren Temperaturen. Vorteilhaft, aber in der Praxis unrealistisch, wäre ein nur wenig geladener, kühl gelagerter, regelmäßig kontrollierter Akku, der vor Benutzung geladen und nach Benutzung gegebenenfalls teilweise wieder zu entladen wäre. Mit viel Aufwand und im entscheidenden Augenblick vielleicht leeren Akku könnte man die Lebensdauer etwas verlängern. Wichtig ist es allerdings, selten genutzte Akkus alle 18 bis 24 Monate auf den Ladezustand zu kontrollieren und nachzuladen, um Tiefentladungen zu verhindern.

Ältere Quellen nennen eine Selbstentladung bei 5 °C von etwa 1 bis 2 %/Monat, bei 20 °C etwa 30 %/Monat. Aktuelle Angaben geben eine Selbstentladung von 3 %/Monat auch bei Zimmertemperatur an. Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 55 bis 75 % nachgeladen werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren dürfen sich auch bei Lagerung nicht unter 2,7 V pro Zelle entladen. Eventuell flüssige oder gelförmige Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um −25 °C entspricht. Die Ursache der Selbstentladung kommt durch DMT, welches aus den PET Klebebändern entweicht – neuere Generationen werden dieses Problem nicht mehr haben.

Sofern es die örtlichen Gegebenheiten zulassen, ist aus Sicherheitsgründen eine Lagerung der Lithiumbatterien im Freien vorteilhaft. Auch ein Brandschutzkonzept sollte vorliegen, da Lithiumbatterien auf Basis von Lithium-Cobalt(III)-oxid thermisch durchgehen können. Widerstandsfähige Stahlbehälter oder Brandschutzschränke können eine Kettenreaktion verhindern, da sie Schutz vor Funken, Flammen, Hitze und Projektilen (Splitter aus einer Explosion einer Batterie) darstellen, insbesondere in Lagerbehältern kommen oftmals noch Löschgranulate zum Einsatz, die einen möglichen Akku-Brand eindämmen. Zusätzlich sollten die Stahlbehälter oder Brandschutzschränke über ein Gasmanagementsystem verfügen. So können bei einem Batteriebrand entstehende Gase sicher aus dem Behälter geführt werden und eine Explosion des Behältnisses unterbunden werden.

Lebensdauer

Lithium-Ionen-Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung, wobei eine vollständige Ladung und Entladung als Zyklus bezeichnet wird, als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit (kalendarische Lebensdauer). Insbesondere die Mehrheit der in Endverbrauchergeräten verbauten Lithium-Ionen-Akkus der ersten Generationen hatte nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnten die Nutzer schon nach einem Jahr erhebliche Kapazitätsverluste feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithiumionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade-Entlade-Zyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall. Als Grund hierfür werden in der Regel parasitäre unumkehrbare chemische Reaktionen genannt.

Bei aktuellen Lithium-Ionen-Akkus liegt die kalendarische Lebensdauer deutlich höher, so dass inzwischen meist die erreichbare Zahl der Lade-/Entladezyklen entscheidet, wie lange der Akku verwendet werden kann.

Die erreichbare Zahl der Lade-/Entladezyklen ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur und von der Art der Nutzung des Akkus, insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme. Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklenhaltbarkeit drastisch, weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte. Niedrige Temperaturen während des Betriebs, nicht jedoch während der Lagerung, sind ebenfalls schädlich. Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark überproportional verbessert, das heißt, dass ein Lithium-Ionen-Akku, von dem statt 100 % nur 50 % der maximalen Kapazität entladen und dann wieder geladen werden, mehr als die doppelte Zyklenzahl durchhält. Der Grund hierfür ist, dass bei vollständig entladenem und vollständig geladenem Akku hohe Belastungen für die Elektroden entstehen. Optimalerweise werden bei solchen seicht zyklisierten Akkus sowohl die Ladeschlussspannung reduziert als auch die Entladeschlussspannung erhöht. Ebenso erhöhen starke Lade- und Entladeströme die mechanischen und thermischen Belastungen und wirken sich so negativ auf die Zyklenzahl aus.

Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Lithium-Ionen-Akkus mit längerer Haltbarkeit verkauft.

Apple gab im Juni 2009 an, die in den neuen Modellen der MacBook-Pro-Familie verbauten Akkus seien bis zu 1.000 Mal wiederaufladbar, bevor sie nur noch 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreichten. Das soll einer Verdreifachung der Lebensdauer gegenüber den herkömmlichen Akkus entsprechen. Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen (meist LiCoO2-Akkus) gelernten Anwendungsregeln – Betrieb und Lagerung bei möglichst tiefer Temperatur; Lagerung nur im teilgeladenen Zustand; generell weder ganz geladen noch ganz entladen – könnte die mit den neueren Akkus erzielbare Zyklenzahl auch höher ausfallen. Ein Community-Portal zur Akku-Lebensdauer von Laptop-Akkus nennt bei einer Fallzahl von 1.644 eine durchschnittliche Zyklenzahl von 424 bei 82 % Restkapazität, wobei auch Fälle von 60 % Verlust nach nur 120 Zyklen nicht selten seien.

Bei E-Bike-Batterien zweier namhafter Hersteller konnte der ADAC im Oktober 2015 bei einem Test nach 500 Voll-Ladezyklen noch mindestens 80 % der Gesamtkapazität bestätigen.

Bei Elektrofahrzeugen wurden 2009 mindestens 1.000 bis etwa 3.000 Lade- und Entladezyklen angegeben und 1.000 bis 1.750 Zyklen (2020) nachgewiesen. Ende 2019 geht man von 2.000 Zyklen aus.

Betriebs- und Umgebungstemperatur

Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkumulators bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich auch beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, wodurch die entnehmbare Leistung sinkt. Zudem können die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen ab −25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0–40 °C an. Optimal sind für viele Zellen 18–25 °C. Unter 10 °C kann bei manchen Typen durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass ein Gerät mit höherem Strombedarf nur noch einige Minuten betrieben werden kann.

Es gibt Lithium-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis −54 °C eingesetzt werden können. Durch das Laden bei niedrigen Temperaturen tritt meist eine starke Alterung auf, die mit irreversiblem Kapazitätsverlust einhergeht. Aus diesem Grund wird für die meisten Akkus 0 °C als untere zulässige Temperatur während des Ladevorgangs angegeben.

Bei zu hohen Betriebstemperaturen bildet sich bei vielen Systemen durch Zersetzung des Elektrolyts eine Schicht auf der Anode, die den Zellinnenwiderstand erhöht. Die Temperatur während des Entladevorgangs wird von den meisten Herstellern deshalb auf 60 °C limitiert. Lithium-Ionen-Akkumulatoren erwärmen sich während des Entladevorgangs, besonders bei hohen Strömen. Die maximale Temperatur hängt dabei in vielen Fällen linear von der Entladerate ab.

Preis

Lernkurve von Lithium-Ionen-Akkus: Der Preis für Akkus ist in drei Jahrzehnten um 97 % gesunken.

Die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus gehen stetig zurück. Eine weitere Kostensenkung wird sowohl aufgrund von technischen Fortschritten als auch der Erhöhung der Produktionskapazitäten erwartet. Zwischen 1991, als Lithium-Ionen-Akkus in den Markt eingeführt wurden, und 2018 fielen die Zellpreise um 97 %. Der Rückgang betrug im Zeitraum 1992 bis 2016 durchschnittlich 13 % pro Jahr. Zwischen 2010 und 2020 fielen die Kosten von 1100 Dollar/kWh auf durchschnittlich 137 Dollar/kWh; dies ist eine Preisreduktion um 89 %. Erstmals wurden zudem bei einzelnen Akkupacks für chinesische E-Busse Preise von unter 100 Dollar/kWh erzielt. Die Marke von 100 Dollar/kWh wird per Faustformel als etwa die Schwelle angesehen, bei denen Fahrzeughersteller E-Autos zum gleichen Preis und mit gleicher Marge wie herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor verkaufen können. Erwartet wird, dass diese Preise im Durchschnitt im Jahr 2023 erreicht sein werden.

Eine Studie des US-Energieministeriums vom Februar 2017 weist darauf hin, dass die Kosten der Traktionsbatterie, samt Kapselung, Gehäuse, Elektronik und Temperatur-Management, dem Preis der Zellen nur verzögert folgen.

Lithium-Ionen-Akku

Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus

Transport

Gefahrzettel 9A „Gefahr der Klasse 9 – Verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände“

Für die Beförderung von Lithium-Akkumulatoren/-Batterien gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser-Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften:

  • Einstufung aller Lithium-Batterien seit dem 1. Januar 2009 als Gefahrgut der Klasse 9. Um sie versenden zu dürfen, muss, in der Regel durch den Zell- bzw. Batteriehersteller, zunächst der UN-Transport-Test UN/DOT 38.3 (englisch UN Transportation Testing) von einem akkreditierten Prüflabor durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um insgesamt acht Tests. Dieser Test ist zu dokumentieren, ab 2019 (verpflichtend ab 2020) erfolgt dies in einem inhaltlich/ formal vorgegebenen Testbericht (test report).
  • für den Straßentransport: das „Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (ADR). Die Übergangsvorschrift gem. 1.6.1.20 ADR findet Anwendung.
  • für den Seetransport: der International Maritime Dangerous Goods Code
  • für den Lufttransport: die ICAO Technical Instructions (ICAO T.I.) bzw. die IATA Dangerous Goods Regulations (IATA DGR)
  • das Gesetz über die Beförderung gefährlicher Güter (GGBefG, Deutschland)
  • die „Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt“ (GGVSEB, Deutschland)
  • Viele Paketdienste, Fluggesellschaften und Flughäfen haben zusätzlich eigene Beförderungsbestimmungen für Lithium-Ionen-Akkus, wobei kleinere Akkus (ca. < 100 Wh) meist unproblematisch sind. Für den DHL-Versand von Artikeln, die Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Batterien enthalten, gilt z. B. eine Regelung für die Beförderung von gefährlichen Stoffen und Gegenständen.

Grundsätzlich unterscheiden die Gefahrgutvorschriften zwischen „kleinen“ und „großen“ Lithiumbatterien. Klein bedeutet dabei bei Lithium-Ionen-Batterien eine max. Nennenergie von 20 Wh je Zelle bzw. 100 Wh je Batterie. Bei Lithium-Metall-Batterien gelten Zellen bis 1 g Lithiumgehalt bzw. Batterien bis 2 g Lithiumgehalt als klein. Kleine Zellen/ Batterien unterliegen, entweder einzeln, in oder mit Geräten (Verbrauchern) befördert, erleichterten Bedingungen, während große Zellen/ Batterien gefahrgutrechtlich umfangreicheren Transportbedingungen unterliegen. Die Erleichterungen für kleine Zellen/ Batterien sind im Straßen-, See- und Lufttransport weitestgehend gleich, wobei es für den Lufttransport strengere Anforderungen bzgl. der im Paket zulässigen Batteriemenge gibt. Grundlage ist die Sondervorschrift SV 188 ADR/ IMDG-Code bzw. die entsprechenden Verpackungsanweisungen (packing instructions) PI 965 – PI 970, jeweils Section II. Darüber hinaus wird beim Versand zusätzlich zwischen intakten, (potenziell) defekten / beschädigten Akkus, sowie Akku-Prototypen unterschieden, für die es jeweils abweichende Vorgaben gibt.

Der Versand von Paketen mit kleinen Zellen/ Batterien erfolgt in der Regel mit einer deutlich sichtbaren Kennzeichnung, welche auf den Inhalt hinweist. Sofern es sich um eingebaute Knopfzellen handelt, ist diese Kennzeichnung nicht vorgeschrieben. Ebenfalls ohne Kennzeichnung dürfen Pakete versendet werden, die max. 2 in Geräten eingesetzte kleine Lithiumbatterien enthalten, sofern die Sendung aus nicht mehr als 2 solchen Paketen besteht.

Der Aufkleber enthält Hinweise über/darüber

  • das Vorhandensein von Lithium-Ionen-Zellen bzw. Batterien, erkennbar an der aufgeführten UN-Nummer
  • dass bei Beschädigung Entzündungsgefahr besteht,
  • eine Telefonnummer, bei der man zusätzliche Informationen erhalten kann.

Auch für Lithiumbatterien im Passagiergepäck von Flugreisenden gibt es detaillierte Regelungen, so dürfen beispielsweise einzelne Lithiumbatterien ohne Gerät/ Verbraucher wie Powerbanks oder Ersatzbatterien nicht im aufgegebenen Gepäck transportiert werden, sondern müssen zwingend im Handgepäck mitgeführt werden. Fluggesellschaften sind verpflichtet, ihre Passagiere auf die entsprechenden Regelungen zu Gefahrgut im Gepäck durch Aushänge, Fragen beim Check-In oder deutliche Hinweise beim Check-In im Internet hinzuweisen. Auch die nationalen Luftfahrtbehörden wie das deutsche LBA haben die Bestimmungen dazu veröffentlicht.

Mechanische Belastung

Mechanische Beschädigungen wie in die Akkuzelle eindringende Objekte oder ein Herunterfallen können zu inneren elektrischen Kurzschlüssen führen. Dadurch fließen hohe Ströme, die zur Erhitzung des Akkumulators führen. Dabei können Gehäuse aus Kunststoff schmelzen und entflammen. Unter Umständen ist ein mechanischer Defekt von außen nicht unmittelbar zu erkennen. Auch längere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen. Ebenso kann durch äußere Beschädigung Luft und insbesondere Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen und unerwünschte chemische Reaktionen hervorrufen.

Chemische Reaktionen

Dendritenbildung

Zur Ursache und Vermeidung von Dendritenbildungen wird intensiv geforscht. Bei dem Vorgang lagert sich Lithium, welches beim Entladen des Akkumulators in Lösung ging, beim erneuten Ladevorgang nicht wieder an derselben Stelle ab und bildet stattsdessen Dendrite. Diese durchsetzen den Separator, können diesen später auch durchdringen und somit Kurzschlüsse verursachen. Als Ursache für die Dendritenbildung wird von einigen Forschergruppen die Zusammensetzung der Oberflächenschicht auf der negativen Elektrode und des Elektrolyten angenommen. Experimentelle Forschungsergebnisse aus dem Helmholtz-Institut Ulm zeigen jedoch in eine andere Richtung: eine dem Metall innewohnende Eigenschaft bedingt die astartigen Auswüchse. Die Forscher meinen die so genannten Selbstdiffusionsbarrieren verschiedener Metalle, die in Akkus verwendet werden, als Basis identifiziert zu haben. Diese Barrieren sind ausschlaggebend für die Gleichmäßigkeit, mit der sich die Metallatome beim Wiederaufladen der Batterie nach der Abscheidung auf der Anodenoberfläche verteilen.

Übertemperatur

Abgebrannter Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator aus einer Boeing 787 als Folge des thermischen Durchgehens

Die meisten Lithium-Ionen-Akkumulatorentypen werden durch Übertemperatur beschädigt, da es bei einigen der häufig eingesetzten Oxide wie Lithium-Cobalt(III)-oxid und Mischoxiden wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden ab Temperaturen von ca. 180 °C zu einem thermischen Durchgehen kommt, bei dem die im Akku gespeicherte Energie in kürzester Zeit durch direkte chemische Reaktion in Form von Wärme frei wird. Viele BMS, wie z. B. in 18 V-Werkzeugakkus von Makita, verfügen daher über eine Temperatursicherung. Oxide wie Nickeldioxid, welche zwar den Bau von Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit vergleichsweise hoher spezifischer Kapazität erlauben, neigen stark zu thermischem Durchgehen und werden daher in kommerziellen Anwendungen praktisch nicht verwendet. Beim thermischen Durchgehen wird durch den chemischen Zerfall des Oxids im Akkumulator Sauerstoff freigesetzt, welcher chemisch mit Zellbestandteilen wie dem Elektrolyten reagiert und so zu einer sich selbst steigernden, von außen nicht mehr anhaltbaren exothermen Reaktion und thermischer Zerstörung des Akkumulators führt. Dies gilt für alle bekannten Kathodenmaterialien, auch für Lithiumeisenphosphat. Die Kathodenmaterialien unterscheiden sich allerdings in der Onset-Temperatur (bei der die exotherme Reaktion beginnt) und hinsichtlich der dabei freigesetzten Energie.

Um einen klassischen Metallbrand handelt es sich hier nicht, da die Gesamtmenge an „metallischem“ (in Graphit intercaliertem) Lithium auch im geladenen Zustand nicht sehr groß ist, und durch die kompakte Bauform intern mit dem Metalloxid abreagiert. Gewöhnliche Löschmittel (Schaum, Kohlensäure, bes. Wasser durch die Kühlwirkung) sind daher wirksam und können gefahrlos verwendet werden. Die mögliche Brandgefahr kann zu kostspieligen Rückrufaktionen der Hersteller führen.

Abhilfe

Keramische, temperaturbeständigere Separatoren gewähren eine erhöhte Sicherheit. Ebenso können Zellchemikalien eingesetzt werden, die thermisch stabiler sind oder deren Zersetzung nicht exotherm abläuft. Beispielsweise können statt kostengünstiger Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren betriebssichere Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren eingesetzt werden: Diese weisen allerdings neben einem höheren Preis auch eine geringere Energiedichte auf und erlauben keine derart kompakten Bauformen wie Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren.

Weitere unmittelbar in die Zelle integrierte Schutzmaßnahmen betreffen die elektrische Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem äußeren Zellanschluss. Die Verbindung kann so ausgeführt werden, dass sie wie eine Schmelzsicherung wirkt und zusätzlich beim Öffnen etwaiger Berstöffnungen abgerissen wird. Diese zellinternen Schutzmechanismen sind jedoch in der Regel irreversibel ausgeführt. Außer den zellinternen Schutzvorrichtungen gibt es innerhalb moderner Batterien meist weitere elektronische Schutzschaltungen. Deren Funktionen reichen von komplexen Batteriemanagementsystemen (BMS) mit Temperatursensoren, Ladeelektronik, Batteriezustandsüberwachung und externen Kommunikationsanschlüssen (smart batteries) bis zu einfachen, zumeist reversibel wirkenden Sicherheitsschaltungen, die lediglich die Überladung oder Überlastung der Batterie verhindern sollen.

In arbeitswissenschaftlichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Umgang mit leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkumulatoren wie deren Fertigung, Einbau, Lagerung, Entsorgung sowie bestimmte Betriebszustände nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitsschutz hat. Die Gefahren wie bei Arbeiten mit höheren elektrischen Spannungen und die Handhabung von Gefahrstoffen der eingesetzten Zellchemie können durch Anpassung und konsequente Umsetzung bestehender Sicherheitsanforderungen minimiert werden.

Beispiele von Vorfällen

Im Automobilbau kommt es durch besonders hohe Sicherheitsanforderungen auf Grund der hohen installierten Energiemengen teilweise zu Verzögerungen beim Einsatz. So verschob Opel die Auslieferung des Ampera, als drei Wochen nach einem Crashtest eines baugleichen Chevrolet Volt der versuchsweise nicht ausgebaute, voll geladene Akku überhitzte und zum Fahrzeugbrand führte. Daraufhin wurde das Sicherheitskonzept der Traktionsbatterie überarbeitet.

Der Umgang mit brennenden Elektroautos stellt Pannendienste und Feuerwehren vor neue Herausforderungen, da z. B. für die Löschung wesentlich mehr Wasser benötigt wird. Zudem ist ein spezieller Kühlcontainer für den Abtransport erforderlich. Ähnlich sieht es bei E-Bikes aus.

Umweltauswirkungen

CO2-Bilanz

Bei der Herstellung der Akkumulatoren entsteht Kohlenstoffdioxid. Während frühere Studien zum Ergebnis kamen, dass pro installierter Kilowattstunde Akku-Energiespeichervermögen etwa 70 kg Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden, kam eine im Jahr 2017 erschienene Überblicksstudie über den aktuellen Forschungsstand auf einen Mittelwert von ca. 110 kg pro installierten kWh. Eine 2019 erschienene Überblicksarbeit bezifferte den CO2-Ausstoß bei der Herstellung des am häufigsten verwendeten NMC-Typs auf etwa 61 bis 106 kg CO2-Äquivalente.

Abhängig von verschiedenen Faktoren wie z. B. dem Strommix für die Batterie-Herstellung liegt die Spanne zwischen 38 und 356 kg CO2-eq/kWh. Es existieren verschiedene Möglichkeiten, diese CO2-Emissionen zu reduzieren; beispielsweise durch die Senkung des Gesamtenergiebedarfs oder die Nutzung von Recyclingmaterialien. Als vermutlich erfolgversprechendste Maßnahme hierfür wird die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien in der Akkuproduktion angesehen.

Nach einer Studie, die im Auftrag der Europäischen Kommission erstellt wurde, können Elektrofahrzeuge bis 2050 fast CO2-frei sein – und zwar unter Berücksichtigung des gesamten Lebensweges von der Herstellung über die Nutzung und das Recycling. Dafür muss der Strom, auch für die Fahrzeugherstellung, aus Erneuerbaren Energien kommen und das Recycling von Batterien muss realisiert sein. Ende 2020 erarbeitete die EU-Kommission eine verpflichtende Nachhaltigkeitsrichtlinie, wonach im Jahr 2026 35 % und 2030 70 % des Lithiums recycelt werden müssen. Bislang müssen Li-Akkus zu 50 Prozent der Masse recycelt werden; dafür genügt mitunter die Demontage der Batterie, Rückführung des Gehäuses und der Kabel. Bei Haushalts-Batterien gilt ein Wert von mindestens 75 Prozent. Das etwa 2017 gegründete Unternehmen Düsenfeld im Raum Braunschweig, erreicht einen Wert von 96 Prozent.

Rohstoffgewinnung

Die Umweltproblematiken von Lithium-Ionen-Batterien werden besonders mit Blick auf die Gewinnung von Lithium aus Salzsee-Solen in südamerikanischen Ländern (Chile, Argentinien) diskutiert. Probleme, die sich aus der Li-Extraktion aus Salzseen ergeben, werden vor allem im Zusammenhang mit Wasserknappheit und daraus erwachsenden sozialen Konflikten thematisiert. Seit etwa 2018 wurde jedoch Australien zum weltweit größten Lieferanten von Lithium, wobei Lithium im Festgestein-Bergbau produziert wird. Die beschriebenen Herausforderungen sind auch Motivation für das Recycling.

Recycling

Ein fachgerechtes Recycling ermöglicht die Verwertung der Batterien und damit die Rückgewinnung bestimmter Stoffe wie zum Beispiel Kobalt, Mangan, Nickel, Zink oder Kupfer. Grundsätzlich gilt für die Entsorgung in Deutschland: Die Hersteller sind in der Pflicht, Altbatterien unentgeltlich zurückzunehmen (§ 5 BattG) und nach dem Stand der Technik zu behandeln und stofflich zu verwerten (§ 14 BattG). Im Batteriegesetz sind Anzeige- und Rücknahmepflichten sowie Verwertungsanforderungen festgelegt.

Um Lithium-Ionen-Akkumulatoren und primäre Lithium-Ionen-Batterien zu recyclen, werden verschiedene Grundoperationen zu komplexen Prozessketten kombiniert:

  • Deaktivieren/Entladen (speziell für Traktionsbatterien),
  • Demontage der Batteriesysteme (speziell für Traktionsbatterien),
  • mechanische Prozesse (Schreddern, Sortieren, Sieben etc.),
  • hydrometallurgische Prozesse sowie
  • pyrometallurgische Prozesse.

Kupfer und Aluminium können häufig vergleichsweise einfach durch mechanische Prozessen getrennt und recycelt werden. Kobalt und Nickel können durch pyrometallurgische Prozesse zurückgewonnen werden. Diese Wertstoffe sind für die Prozessökonomie und Prozessökologie besonders attraktiv. Das Recycling sollte mittelfristig umgesetzt werden, um langfristig Engpässe zu vermeiden.

Durch hydrometallurgische Behandlung können Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat zurückgewonnen werden. Bisher (Stabd: 2019) war das Recycling jedoch nicht rentabel. Das könnte sich ändern, wenn die Anzahl batteriebetriebener Geräte steigt.

Das LithoRec Projekt startete im Jahr 2009 mit dem Ziel die Entwicklung eines neuen Recyclingverfahrens für Lithium-Ionen-Batterien aus Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen mit dem Schwerpunkt auf Energieeffizienz und eine hohe stoffliche Verwertungsquote. Die entwickelte Prozessroute kombiniert mechanische, mild-thermische und hydrometallurgische Behandlung. Ab 2012 wurde die Prozessentwicklung innerhalb einer Testanlage in Braunschweig fortgeführt, in der eine Material-Recycling Rate von 75-80 % pro Batteriesystem erreicht wurde.

Die weltweit erste kommerzielle Recycling-Anlage (PosLX) wurde 2017 von POSCO in Gwangyang, Südkorea, in Betrieb genommen. In dieser Anlage wird Lithiumphosphat aus alten Lithium-Ionen-Akkus durch das von POSCO patentierte Verfahren in Lithiumcarbonat, ein Vorprodukt für Lithium, umgewandelt. Die neue Fabrik hat eine Jahresproduktionskapazität von 2.500 Tonnen Lithiumcarbonat. 10.000 Tonnen pro Jahr sämtlicher Arten von Lithium-Ionen-Batterien kann die Anlage der Redux in Bremerhaven bearbeiten. Eine weitere der größten Recycling-Anlagen Europas mit 7.000 Tonnen pro Jahr (2018) wird in Antwerpen von Umicore betrieben. In Deutschland können 2020 etwa 20.000 Tonnen recycelt werden, was aber bei steigendem Elektrofahrzeug-Aufkommen nicht hinreichend ist.

In einer Studie aus dem Jahr 2020 wird über den Stand und die Perspektiven des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus der Elektromobilität berichtet. Die Rückgewinnung von Lithium ist bislang noch in den wenigsten Verfahren realisiert bzw. befindet sich im Entwicklungsstadium. Darüber hinaus gibt es auch Aktivitäten zur Rückgewinnung des Graphits aus den Lithium-Ionen-Batterien. Zu den größten Herausforderungen in den verschiedenen Recyclingprozessen gehört die Beherrschung des Thermischen Runaways sowie die hohe Brandlast einer Lithium-Ionen-Batterie.

Verfahren zur Lithiumrückgewinnung beim Recycling

Ein Verfahren zur Rückgewinnung von 55 bis 76 Prozent des in den Batterien enthaltenen Lithiums aus alten Lithium-Ionen-Akkus wurde vom Karlsruher Institut für Technologie entwickelt. Dieses mechanochemische Verfahren ermöglicht eine kostengünstige, energieeffiziente und umweltverträgliche Aufbereitung von gebrauchten Akkus. Der Recyclingprozess beginnt mit dem Zermahlen der Akkus in einer Ballmühle, ohne vorherige Sortierung oder Zerlegung. Während des Mahlens reagieren die Lithiumverbindungen in den Batterien mit dem in der Kathode enthaltenen Aluminium, das als Reduktionsmittel dient. Das resultierende Gemisch besteht aus metallischen Komponenten, Lithiumoxid und Aluminiumoxid. Magnetische Metalle wie Eisen und Cobalt werden mithilfe eines Magneten entfernt. Im nächsten Schritt wird das Gemisch in Wasser gelöst, gefiltert und durch Verdampfen rekristallisiert. Dabei entstehen Lithiumcarbonat, ein für die Akkuproduktion essentieller Rohstoff, und Lithium-Aluminium-Hydroxyhydrat (LACHH). Das auskristallisierte Pulver wird anschließend auf etwa 350 Grad Celsius erhitzt, wodurch das LACHH in Lithiumcarbonat und Aluminiumcarbonat reagiert. In einem weiteren Löse- und Filtrationsschritt wird das Lithiumcarbonat gewonnen, während das Aluminiumcarbonat fest bleibt und abgetrennt werden kann. Im Vergleich zu anderen Methoden werden keine Säuren, korrosive Chemikalien oder extrem hohen Temperaturen benötigt, was das Verfahren umweltfreundlicher und energiesparender gestaltet. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist seine universelle Einsetzbarkeit: Es funktioniert mit allen derzeit in Kathoden verwendeten Lithiumverbindungen und deren Mischungen. Daher können gebrauchte Batterien unabhängig von ihrer Zusammensetzung ohne Sortierung oder Zerlegung recycelt werden.

Unterschied zu Natrium-Ionen-Akkumulator

Mit den Lithium-Ionen-Akkumulatoren im Aufbau und Verfahren verwandt sind die Natrium-Ionen-Akkumulatoren, welche das Alkalimetall Natrium in Form von Na+-Ionen verwenden und eine ähnliche Typenvariation aufweisen, aber physikalisch bedingt grundsätzlich eine geringere Energiedichte haben. Dank jüngerer Forschungsarbeiten ist der Wandel vom theoretischen Konzept zur praxistauglichen Technologie inzwischen gelungen. Ein koreanischer Prototyp schafft etwa 500 Ladezyklen, bevor die Kapazität auf 80 Prozent fällt. Im Vergleich zur Lithium-Akkutechnik wird die Herstellung von Natrium-Ionen-Akkus nicht durch knappe Ressourcen begrenzt.

Literatur

  • Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
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Weblinks

Commons: Lithium-Ionen-Akkumulatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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Galvanische Zellen
Primärzellen:

Alkali-Mangan-Batterie • Aluminium-Luft-Batterie • Lithiumbatterie  • Lithium-Eisensulfid-Batterie • Lithium-Iod-Batterie • Lithium-Mangandioxid-Batterie • Lithium-Thionylchlorid-Batterie • Lithium-Schwefeldioxid-Batterie • Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie • Nickel-Oxyhydroxid-Batterie • Quecksilberoxid-Zink-Batterie • Silberoxid-Zink-Batterie • Zink-Kohle-Zelle • Zinkchlorid-Batterie • Zink-Luft-Batterie

Sekundärzellen:

Aluminium-Ionen-Akkumulator • Bleiakkumulator • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator • Lithium-Ionen-Akkumulator • Lithium-Luft-Akkumulator • Lithium-Mangan-Akkumulator • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator • Lithium-Schwefel-Akkumulator • Lithiumtitanat-Akkumulator • Natrium-Ionen-Akkumulator • Natrium-Schwefel-Akkumulator • Nickel-Cadmium-Akkumulator • Nickel-Eisen-Akkumulator • Nickel-Lithium-Akkumulator • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator • Nickel-Wasserstoff-Akkumulator • Nickel-Zink-Akkumulator • Polysulfid-Bromid-Akkumulator • RAM-Zelle • Silber-Zink-Akkumulator • Vanadium-Redox-Akkumulator • Zink-Brom-Akkumulator • Zink-Luft-Akkumulator • Zebra-Batterie • Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator

Historische Zellen:

Bagdad-Batterie • Chromsäure-Element • Daniell-Element • Edison-Lalande-Element • Gravity-Daniell-Element • Grove-Element • Leclanché-Element • Voltasche Säule • Clark-Normalelement • Weston-Normalelement • Zambonisäule

Ausführungen:

Akkumulator • Batterie • Lithium-Polymer-Akkumulator • Brennstoffzelle • Knopfzelle • Konzentrationselement • Redox-Flow-Batterie • Thermalbatterie

Bestandteile:

Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)

 Wiktionary  •  Commons  • Kategorie: Batterie
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Veröffentlichungsdatum:
Lithium Ionen Akkumulator ˈliːtʰiʊm oder Lithium Akkumulator auch Lithiumionenakku Lithiumionen Akku Lithiumionen Sekundarbatterie ist der Sammelbegriff fur Akkumulatoren auf der Basis von Lithium Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle Die reaktiven Materialien der negativen und der positiven Elektrode und des Elektrolyten enthalten Lithiumionen Lithium Ionen Akkumulator in FlachbauweiseZylindrische Zelle 18650 vor dem ZusammenbauEs gibt zahlreiche verschiedene Lithium Ionen Akkumulatoren Sie unterscheiden sich nicht nur in der Grosse und Bauform sondern auch in der chemischen Zusammensetzung ihrer Komponenten und haben auch verschiedene Spannungsbereiche Fur etwa zwei Jahrzehnte waren die meisten der auf den Markt gebrachten lithiumbasierten Akkumulatoren Lithium Cobaltdioxid Akkumulatoren Heute werden vor allem die auf Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxiden basierenden NMC Akkumulatoren verkauft 1 Die meisten Lithium Ionen Akkumulatoren zeichnen sich durch eine hohere spezifische Energie Energie pro Eigenmasse als andere Akkumulatortypen aus Auf Tiefentladung und auf Uberladung reagieren sie meist nachteilig und brauchen deshalb ein geeignetes Batteriemanagementsystem BMS Die Kenndaten wie Zellspannung Temperaturempfindlichkeit Lade und Entladeschlussspannung und der maximal erlaubte Lade oder Entladestrom variieren bauartbedingt und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyten abhangig Die Angabe des genauen Typs beispielsweise Lithium Eisenphosphat Akkumulator ist aus diesem Grund informativer als die unspezifische Angabe des Oberbegriffs Lithium Ionen Akkumulator Zusatzlich zu den Varianten aufgrund der Elektrodenmaterialien gibt es Varianten aufgrund verschiedener Elektrolyte die Zelle kann einen flussigen Elektrolyten enthalten oder als Lithium Polymer Akkumulator ausgefuhrt sein 2 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Anwendung 3 Prinzip 4 Ausfuhrungsformen 4 1 Zellchemie 4 1 1 Materialien an der Pluspolseite 4 1 2 Materialien auf der Minuspolseite 4 1 3 Elektrolyte 4 2 Reaktionsgleichungen 4 3 Spezielle Bauweisen 4 3 1 Lithium Polymer Akkumulator 4 3 2 Verschiedenartige Materialkombinationen 4 3 3 Weitere Akkumulatortypen 4 4 Bauformen 5 Eigenschaften 5 1 Wirkungsgrad 5 2 Spezifische Energie und Energiedichte 5 3 Spannung 5 4 Ladevorgang 5 4 1 Batteriemanagementsystem 5 4 2 Ladeverfahren 5 4 3 Ladezustandsanzeige in Smartphones 5 4 4 Uberladung 5 4 5 Entladung 5 4 6 Tiefentladung 5 4 7 Selbstentladung 5 5 Lebensdauer 5 6 Betriebs und Umgebungstemperatur 5 7 Preis 6 Gefahren beim Umgang mit Lithium Ionen Akkus 6 1 Transport 6 2 Mechanische Belastung 6 3 Chemische Reaktionen 6 3 1 Dendritenbildung 6 3 2 Ubertemperatur 6 3 3 Abhilfe 6 3 4 Beispiele von Vorfallen 7 Umweltauswirkungen 7 1 CO2 Bilanz 7 2 Rohstoffgewinnung 7 3 Recycling 7 3 1 Verfahren zur Lithiumruckgewinnung beim Recycling 8 Unterschied zu Natrium Ionen Akkumulator 9 Literatur 10 Weblinks 11 EinzelnachweiseGeschichte BearbeitenBereits in den 1970er Jahren wurden an der TU Munchen das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetallionen Interkalation in Kohlenstoff Elektroden 3 4 sowie oxidische Elektroden 5 6 und deren Anwendung in Lithium Batterien 7 8 erforscht und veroffentlicht Jurgen Otto Besenhard und andere auch wenn damals die praktische Anwendbarkeit als Elektroden fur Lithium Batterien nicht erkannt wurde In den 1970er Jahren fand Stanley Whittingham ein vielversprechendes Kathodenmaterial fur Lithiumbatterien in Form von Titandisulfid das in seinen atomaren Zwischenraumen Lithiumionen aufnehmen kann 9 Mit einer Anode aus metallischem Lithium liefert eine Titandisulfid Zelle eine Spannung von etwa 2 Volt In der Zeit von 1977 bis 1979 wurden kleine Titandisulfid Zellen mit einer Lithiumlegierung statt mit Lithium fur Uhren verkauft 10 In den spaten 1970er Jahren schlug Michel Armand ein Akkumulatorkonzept vor bei dem sowohl an der Pluspolseite als auch an der Minuspolseite strukturstabile feste Materialien verwendet werden die Lithium aufnehmen und wieder abgeben konnen d h Interkalationsmaterialien 11 Beim Laden und Entladen pendeln Lithiumionen zwischen den Elektroden hin und her das Konzept wurde wegen der Hin und Herbewegung Schaukelstuhlakku rocking chair battery genannt 11 Bruno Scrosati baute die ersten entsprechenden Zellen und vermass den Spannungsverlauf beim 70 maligen Laden und Entladen 11 12 Damit war das Prinzip des Lithium Ionen Akkumulators gefunden es fehlten aber noch die fur eine Kommerzialisierung notigen kostengunstigen moglichst leichten Materialien mit hoher Spannung Die Brauchbarkeit von Lithium Cobalt III oxid als Elektrodenmaterial fur die Pluspolseite bei der Entladung Kathode wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B Goodenough beschrieben der an der University of Oxford arbeitete 13 Goodenough fand das Material nach systematischer Suche ausgehend davon dass er ein Metalloxid mit eingelagerten Lithiumionen fur vielversprechender hielt als das Metallsulfid von Whittingham 9 Er erreichte Zellspannungen von 4 Volt Die erfolgreiche industrielle Umsetzung gelang zuerst 1985 in Japan durch Akira Yoshino Chemiker bei Asahi Kasei Er baute auf dem Kathodenkonzept von Goodenough auf und verwendete fur die Anode statt des reaktiven metallischen Lithiums Graphit das Lithiumionen aufnehmen kann Ein Vorteil neben dem relativ geringen Gewicht von Graphit ist seine hohe Haltbarkeit da er als Interkalationsmaterial Lithiumionen aufnimmt ohne dass das Elektrodenmaterial durch die chemische Reaktion mit dem Lithium aufgebrochen wird 9 Der erste kommerziell erhaltliche Lithium Ionen Akku war damit der Lithium Cobaltdioxid Akkumulator auch LiCoO2 Akku der von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8 Videokamera CCD TR 1 eingesetzt wurde Die Batterie aus zwei seriell verschalteten Zellen hatte eine Spannung von 7 2 V und eine Kapazitat von etwa 1200 mAh Bis heute 2016 werden Akkumulatoren dieser Bauform mit Kapazitaten bis 6900 mAh angeboten und in einer Vielzahl von Geraten eingesetzt 14 Whittingham Goodenough und Yoshino erhielten 2019 fur die Entwicklung der Lithium Ionen Batterie den Nobelpreis fur Chemie Die Moglichkeit das Graphit auf der Anodenseite durch Silizium zu ersetzen wurde lange erforscht Bei Graphit werden sechs Kohlenstoffatome benotigt um ein Lithiumion zu binden wahrend ein Siliziumatom gleich vier Lithiumionen binden kann Die theoretisch zehnfach hohere Leistungsdichte kann jedoch nicht voll ausgenutzt werden da dann das Anodenmaterial auf die vierfache Grosse aufquillt was diese nach einigen Ladezyklen zerstort 15 Die Stabilisierung des Anodenmaterials wurde in einer Reihe von Ansatzen untersucht die 2008 gegrundete Ampirius gilt hier als Wegbereiter Mitte der 2010er investierten mehrere Autohersteller in die Weiterentwicklung 16 Neben der Nanostrukturierung wurde dabei zuerst die Silizium Kohlenstoff Komposit Anode zur Marktreife entwickelt Die Massenproduktion von Batterien mit diesem Anodenmaterial setzte zwischen 2022 Ampirius 17 und 2024 Varta Samsung Group14 18 19 20 ein Es wird erwartet dass Silizium und Silizium Komposite bis 2030 die reinen Graphit Anoden weitgehend verdrangen werden 21 Die Verwendung von Graphit und Silizium wird als Zwischenschritt zu Lithium Metall Anoden gesehen die eine hohere volumetrischen Energiedichte aufweisen 22 Dieses Material wird in der Forschung wesentlich beim Lithium Schwefel Akkumulator untersucht Im Jahr 2020 fanden Forscher der Columbia University heraus dass die Zugabe von Kalium Lithium Metall Akkumulatoren nicht Lithium Ionen Akkumulatoren langlebiger und sicherer macht So verhindere das Kalium unerwunschte chemische Nebenreaktionen 23 24 In einer Arbeit mit einem neuen Elektrolyten am Helmholtz Institut Ulm konnte 2021 eine hohe Stabilitat erreicht werden wobei eine Energiedichte der Zellen von 560 Wh kg erreicht wurde 25 Man geht fur Lithium Metall Anoden nicht von einer Einsetzbarkeit vor 2028 aus 21 Anwendung Bearbeiten Lithium Ionen Akkumulatoren fur MobiltelefoneLithium Ionen Akkus versorgten anfangs hauptsachlich tragbare Gerate mit hohem Energiebedarf fur die herkommliche Nickel Cadmium oder Nickel Metallhydrid Akkus zu schwer oder zu gross waren beispielsweise Mobiltelefone Tablets Digitalkameras Camcorder Notebooks Handheld Konsolen Softairwaffen oder Taschenlampen Mittlerweile sind sie in fast allen Bereichen anzutreffen Sie dienen bei der Elektromobilitat als Energiespeicher fur Pedelecs Elektroautos moderne Elektrorollstuhle und Hybridfahrzeuge Das Fraunhofer Institut fur System und Innovationsforschung ISI erwartete 2020 dass die Nachfrage nach Lithium Ionen Zellen allein fur die Elektromobilitat bis 2030 um den Faktor 20 bis 40 steigen wird 26 Auch im RC Modellbau haben sie sich fruh etabliert Durch ihr geringes Gewicht sind sie in Verbindung mit burstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern gut als Antriebseinheit im Flugmodellbau geeignet Seit 2003 gibt es Lithium Ionen Akkus in Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und in Gartengeraten In der Boeing 787 werden Lithium Kobaltoxid Akkus LiCoO2 verwendet Sie erhielten nach mehreren Branden nachtraglich eine Stahlummantelung Andere Flugzeuge sind 2012 mit Lithium Eisenphosphat Akkus ausgerustet 27 Lithium Ionen Batterie Systeme werden auch in Batteriespeichern eingesetzt Prinzip Bearbeiten Schematischer Aufbau einer Lithium Ionen Zelle positive Elektrode LiCoO2 negative Elektrode Li Graphit Im geladenen Lithium Ionen Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess mit Stoffanderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt Im Akkumulator konnen Lithiumionen Li frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern wovon sich der Name des Akkus ableitet Im Gegensatz zu den Lithiumionen sind die Ubergangsmetall und Graphit Strukturen der Elektroden ortsfest und durch einen Separator vor einem direkten Kontakt geschutzt Die Mobilitat der Lithiumionen ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen notig damit die Elektroden selbst weitgehend elektrisch neutral bleiben Die negative Elektrode ist eine Graphit Intercalationsverbindung mit der allgemeinen Zusammensetzung LixCn wobei Lithium als Kation vorliegt Beim Entladen gibt die Interkalationsverbindung Elektronen ab die uber den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fliessen Gleichzeitig wandern gleich viele Li Ionen aus der Intercalationsverbindung durch den Elektrolyten ebenfalls zur positiven Elektrode An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithiumionen die Elektronen des externen Stromkreises auf sondern die dort vorhandenen Strukturen der Ubergangsmetallverbindungen Je nach Akkumulatortyp konnen das Cobalt Nickel Mangan oder Eisen Ionen sein die ihre Ladung andern Das Lithium liegt im entladenen Zustand des Akkumulators in der positiven Elektrode weiterhin in Ionenform vor Da die Affinitat der Lithiumionen zum Material der positiven Elektrode grosser ist als ihre Affinitat zur negativen Graphit Elektrode wird beim Fliessen von Lithiumionen von der negativen zur positiven Elektrode Energie freigesetzt Innerhalb beider Elektroden konnen sich Elektronen als Elektronengas frei bewegen und zu den externen Leitern wandern bzw aus den Leitern in die Elektrode eintreten nicht jedoch zwischen den Elektroden innerhalb des Akkumulators wandern Die Trennwand Separator ist elektronenundurchlassig was einen Kurzschluss verhindert Ausfuhrungsformen BearbeitenZellchemie Bearbeiten source source source source source source source source source source source source source source track Video Wie funktioniert ein Lithium Ionen Akkumulator Im Gegensatz zu den nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien und der Gruppe von Lithiumakkumulatoren die metallisches Lithium im Aufbau nutzen tritt in Lithium Ionen Akkumulatoren kein metallisches Lithium auf das Lithium wird bei allen heutigen Lithium Ionen Akkumulatortypen im Wirtsgitter eines Tragermaterials gebunden 28 Wenn sich das Wirtsgitter dabei kaum verandert spricht man von Interkalation Je nach Typ werden im Rahmen der Herstellung von Akkus mit einer Speicherfahigkeit der Energiemenge von einer Kilowattstunde etwa 80 g bis 130 g chemisch reines Lithium benotigt Lithium Ionen auch die in Akkumulatoren sind monovalent Li was verglichen mit multivalenten Ionen wie Mg2 oder Al3 einen wesentlich besseren Transport in Festkorpern erlaubt 29 und damit die Nutzung von Interkalationsprozessen moglich macht An Materialien werden unter anderem verwendet Materialien an der Pluspolseite Bearbeiten Positive Elektrode beim Entladen Kathode beim Laden Anode Lithium Cobalt III oxid LiCoO2 LCO und verwandte Schichtverbindungen Bei dem Lithium Cobaltdioxid Akkumulator besteht die positive Elektrode aus dem namensgebenden Lithium Cobalt III oxid LiCoO2 Im Jahr 2008 wurde in etwa 90 aller verkauften Lithium Ionen Akkumulatoren LiCoO2 eingesetzt 30 Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxide kurz NMC oder auch NCM genannt wie z B LiNi0 33Co0 33Mn0 33O2 die Mischoxide aus dem genannten LiCoO2 aus LiNiO2 und LiMnO2 sind Eine manganfreie Variante ist das Oxid LiNi1 xCoxO2 Mit Stand 2019 galt diese Verbindung als die in Antriebsbatterien am meisten verwendete Elektroautos einschliesslich derer von Daimler oder BMW aber abgesehen von den Produkten von Tesla und einigen chinesischen Herstellern verwendeten mit Stand 2019 NMC Akkumulatoren Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxid NCA LiNi1 x yCoxAlyO2 ist eine Version des Lithium Ionen Akkumulators mit Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxid als Kathodenmaterial z B LiNi0 85Co0 1Al0 05O2 Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Energiedichte 240 270 Wh kg bei zyl Zellen im Format 18650 und lange Lebensdauer aus NCA Zellen werden als Antriebsbatterie vor allem von Panasonic und Tesla hergestellt Spinelle wie das Lithiummanganoxid LiMn2O4 LMO Beim Lithium Mangan Akkumulator wird Lithiummanganoxid als Aktivmaterial in der positiven Elektrode eingesetzt Die negative Elektrode bei Entladung des Akkumulators die Anode besteht entweder aus herkommlichem Graphit Hochenergiezellen oder aus einer amorphen Kohlenstoffstruktur amorphous carbon in Hochleistungszellen Durch die grossere Anodenoberflache ergibt sich eine verbesserte Hochstromfestigkeit Die Zellen werden mit Stand 2012 sowohl in Pedelecs und E Bikes verschiedener Hersteller u a vom Schweizer Pedelec Hersteller Flyer 31 32 als auch in Hybridelektrokraftfahrzeugen Bsp Nissan Fuga Hybrid Infinity Mh und Elektroautos Bsp Nissan Leaf eingesetzt Grossformatige Zellen fur Antriebsbatterien fertigt beispielsweise AESC fur Nissan Lithium Eisenphosphat Akkumulator LiFePO4 Akkumulator ist eine Version des Lithium Ionen Akkumulators bei dem die herkommliche Lithium Cobaltoxid Kathode durch eine Lithium Eisenphosphat Kathode ersetzt wurde Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Lade und Entladestrome eine sehr gute Temperaturstabilitat und eine lange Lebensdauer aus Die Nominalspannung betragt 3 2 V beziehungsweise 3 3 V die Energiedichte betragt 100 120 Wh kg Weiterentwicklungen zur Verbesserung der technischen Eigenschaften sind Dotierungen mit Yttrium LiFeYPO4 und Schwefelatomen Bezeichnung Elektrodenmaterialien 33 Abkurzungen Zell Spannung typ Betriebsbereich Laden Ladeschluss Spannung Entladen Cut Off Spannung Spezifische Energie LadezyklenLithium Cobaltdioxid Akkumulator LiCoO2 ICR LCO 3 6 V 3 0 4 2 V 0 7 1C 4 2 V 1C 2 5 V 150 200 Wh kg 500 1000Lithium Mangan Akkumulator LiMnO2 LiMn2O4 IMR LMO LMS 3 7 3 8 V 3 0 4 2 V 0 7 1C 4 2 V 1C manche Zellen 10C 2 5 V 100 150 Wh kg 300 700Lithium Nickel Mangan Cobalt Akkumulator LiNixMnyCozO2 INR NMC NCM 3 6 3 7 V 3 0 4 2 V 0 7 1C 4 2 V 1C manche Zellen 2C 2 5 V 150 220 Wh kg 1000 2000Lithium Nickel Cobalt Aluminium Akkumulator LiNixCoyAlzO2 NCA 3 6 V 3 0 4 2 V 0 7C 4 2 V 1C 3 0 V 200 260 Wh kg 500Lithium Eisenphosphat Akkumulator LiFePO4 IFR LFP 3 2 3 3 V 2 5 3 65 V 1C 3 65 V 1C manche Zellen 25C 2 5 V 90 120 Wh kg 2000 und mehrMaterialien auf der Minuspolseite Bearbeiten Negative Elektrode beim Entladen Anode beim Laden Kathode Graphit und verwandte Kohlenstoffe bei denen eine Interkalation von Lithium stattfindet sind immer noch die wichtigsten Materialien nanokristallines amorphes Silicium Legierungsbildung mit Lithium poroses Silizium bei Ampirius als Silizium Nanodrahte auf einem Silizium Nickel Substrat 34 Silizium Kohlenstoff Komposite mit einem Gerust auf Kohlenstoffbasis werden als Silicium Carbon bezeichnet 35 Silicium Graphit Kohlenstoff Komposite Si G C Komposite konnen teilweise Graphit zur Speicherung einsetzen und in verschiedenen Mischungsverhaltnissen Silicium Partikel in einer Kohlenstoffmatrix zur Leistungssteigerung hinzufugen 36 Lithiumtitanat Akkumulator ist eine Unterkategorie des Lithium Ionen Akkumulators bei der die herkommliche Graphitelektrode negativer Pol durch eine gesinterte Elektrode aus Lithiumtitanspinell Li4Ti5O12 ersetzt wird Die wesentlich starkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflachenschicht die eine der Hauptgrunde fur die schnelle Alterung vieler herkommlicher Li Ion Akkus ist Da das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann wird auch das thermische Durchgehen des Akkumulators verhindert selbst bei mechanischen Schaden Ausserdem kann der Akkumulator aufgrund der Lithiumtitanat Anode im Gegensatz zu herkommlichen Lithium Ionen Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von 40 bis 55 C betrieben werden Nachteilig ist die geringe Speicherdichte und der hohe Preis Zinndioxid SnO2 Bezeichnung Elektroden material Abkurzungen Zell Spannung typ Betriebsbereich Laden Ladeschluss Spannung Entladen Cut Off Spannung Spezifische Energie LadezyklenLithium Graphit Akkumulator Standard Lithium Ionen Zelle C C 3 2 V 4 0 V 3 4 3 8 V 1C bis zu 10C 200 260 Wh kgSilicium Carbon Composite Si C SCC 2 75 V 4 2 V 37 1C 330 450 Wh kg 38 39 1000Lithiumtitanat Akkumulator Li4Ti5O12 LTO 2 4 V 1 8 2 85 V 1C 2 85 V bis zu 10C 2 5 V 50 80 Wh kg 3000 7000Elektrolyte Bearbeiten Alle genannten Elektrodenmaterialien konnen mit einem Polymerelektrolyten kombiniert werden so dass ein Lithium Polymer Akkumulator entsteht Ublich sind flussige Elektrolyte in einem porosen Separator Zur Anwendung kommen Salze wie Lithiumhexafluorophosphat LiPF6 Lithiumtetrafluorborat LiBF4 oder Lithiumbis oxalato borat LiBOB gelost in wasserfreien aprotischen Losungsmitteln wie z B Ethylencarbonat Propylencarbonat Dimethylcarbonat Diethylcarbonat oder 1 2 Dimethoxyethan 40 Polymere aus Polyvinylidenfluorid PVDF oder Polyvinylidenfluorid Hexafluorpropen PVDF HFP im Lithium Polymer Akkumulator Lithiumphosphatnitrid Li3PO4N Lithiumtitanthiophosphat LiTi2 PS4 3 LISICON Li2 2xZn1 xGeO4 Separator Polyolefin Membran ohne und mit nanokeramischer Schicht High purity alumina HPA Separator 41 Stromableiter Kupferfolie an der Minuspolseite Hier verwendet man nicht Aluminium weil Aluminium an der negativen Elektrode mit Lithium reagieren wurde Aluminiumfolie an der Pluspolseite Hier verwendet man das kostengunstige und leichte Material das in geeigneten Elektrolyten durch Passivierung vor Korrosion geschutzt ist Reaktionsgleichungen Bearbeiten Im Folgenden sind beispielhaft die fur den Lithium Mangan Akkumulator geltenden chemischen Reaktionsgleichungen bei Entladung und Ladung angefuhrt Negative Elektrode Entladen L i x C n C n x L i x e displaystyle mathrm Li x mathrm C n rightarrow mathrm C n x mathrm Li x mathrm e Positive Elektrode Entladen L i 1 x M n 2 O 4 x L i x e L i M n 2 O 4 displaystyle mathrm Li 1 x mathrm Mn 2 O 4 x mathrm Li x mathrm e rightarrow mathrm LiMn 2 O 4 Redox Gleichung L i 1 x M n 2 O 4 L i x C n L i M n 2 O 4 C n displaystyle mathrm Li 1 x mathrm Mn 2 O 4 Li x mathrm C n rightarrow mathrm LiMn 2 O 4 mathrm C n Spezielle Bauweisen Bearbeiten Lithium Polymer Akkumulator Bearbeiten Hauptartikel Lithium Polymer Akkumulator Der Lithium Polymer Akkumulator stellt keine eigenstandige Zellchemie dar wenngleich die Mehrzahl aller am Markt befindlichen Lithium Polymer Akkumulatoren vom Typ der Lithium Cobaltdioxid Akkumulatoren sind und damit umgangssprachlich oft gleichgesetzt werden Die wesentliche Eigenschaft des Polymer Akkumulators ist die Art der Gestaltung des normalerweise flussigen Elektrolyts welcher als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis vorliegt und somit im mechanischen Aufbau der Zelle verschiedenartige Gestaltungen wie den Aufbau flacher Zellen erlaubt Die aussere Form der Lithium Polymer Akkus unterliegt praktisch keinen Beschrankungen Verschiedenartige Materialkombinationen Bearbeiten Potentiale in Abhangigkeit von den eingesetzten Kathoden und Anoden AktivmaterialienEs stehen zahlreiche Materialkombinationen zur Speicherung von Lithiumionen zur Verfugung Die chemischen Speichermaterialien verandern die Eigenschaften des Akkumulators entscheidend so dass diese zur Einstellung auf spezielle Anforderungen genutzt werden konnen Die Abbildung zeigt zahlreiche Kathoden und Anodenmaterialien in einer Gegenuberstellung und weist den Potentialunterschied der Materialien aus Durch die zusatzliche Verwendung unterschiedlicher spezieller Separatoren z B Keramikseparatoren 42 Elektrolyte z B Ionische Flussigkeiten und Verpackungsmaterialien konnen weitere Eigenschaften des Akkumulators eingestellt werden so dass diese auch extremen Anforderungen gerecht werden konnen Als besondere Anforderungen an Lithium Ionen Akkumulatoren gelten Maximierung von Energiedichte gewichts oder volumenbezogen Schnellladefahigkeit und Leistungsdichte Hoch und Niedrigtemperaturfestigkeit Stossfestigkeit und Eigensicherheit Strahlungstoleranz z B Gammastrahlung in der Luft und Raumfahrt Hoch und Niederdruckfestigkeit bis Grobvakuum Spezielle Formfaktoren fur Folienkorper oder Anschlusspole Amagnetismus sowie Biegeflexibilitat Sechseckiger Akkumulator fur ein unbemanntes UnterwasserfahrzeugObwohl diese Moglichkeiten bestehen stutzt sich die industrielle Massenfertigung auf die Verwendung von etablierten Speichermaterialien wie z B Lithium Cobalt III oxid und Graphit Nur wenige Spezialhersteller wie z B das deutsche Unternehmen Custom Cells Itzehoe GmbH und das amerikanische Unternehmen Yardney Technical Products Inc bieten Sonderlosungen an Nebenstehende Abbildung zeigt einen vom Fraunhofer Institut fur Siliziumtechnologie ISIT entwickelten Akkumulator der in seiner Energiedichte Druckresistenz und ungewohnlichen Formgebung sechseckig fur den Einsatz in einem Autonomen Unterwasserfahrzeug AUV optimiert wurde 43 44 Weitere Akkumulatortypen Bearbeiten Hauptartikel Dual Carbon Akkumulator Beim Dual Carbon Akkumulator bestehen beide Elektroden sowohl die Kathode als auch die Anode aus porosem Graphit Dieser Akkumulatortyp befindet sich im Forschungsstadium und hat mit Stand 2019 noch keine wirtschaftliche Bedeutung Er gehort nicht zu den Lithiumionenzellen im engeren Sinn weil beim Entladen nicht wie ublich an der Pluspolseite Li Ionen eingelagert werden Bauformen Bearbeiten Ein Lithium Ionen Akku des Formfaktors 18650 neben einer Alkaline AA zum Vergleich Grossenvergleich verschiedener Batteriezellen Handelsubliche Einzelzellen von Lithium Ionen Akkumulatoren werden ublicherweise in zylindrischer Bauform als mit speziellem Gehause konfektionierte Einzelzellen prismatische Zelle oder als Pouch Zellen ausgefuhrt Die zylindrische Bauform ist dabei mit einer funfstelligen Zahl gekennzeichnet und ermoglicht so einen einfachen Austausch Die ersten beiden Ziffern geben den Zelldurchmesser in Millimeter an die dritte und vierte Stelle die Lange der Zelle in Millimeter Diese Baugrossen sind nicht genormt und die Abmessungen weichen von Hersteller zu Hersteller nicht unerheblich von diesen Werten ab In nachfolgender Tabelle sind beispielhaft einige ubliche Zellgrossen mit den typischen Kapazitatswerten angegeben Die konkreten Werte zu der Kapazitat stellen grobe Richtwerte dar und sind vom konkreten Zelltyp und Hersteller abhangig Zellbe zeichnung Abmessungen o l in mm TypischeKapazitat in Ah Bauform wie 45 Hinweis Verwendung10180 10 18 0 3 0 4 2 5 AAA Zelle10280 10 28 0 3 0 4 2 3 AAA Zelle10440 10 44 0 3 0 4 AAA Zelle R0313450 13 45 0 5 0 7 Einsatz in E Zigaretten14250 14 25 0 25 0 30 1 2 AA Zelle14430 14 43 0 6 0 7 4 5 AA Zelle14500 14 53 0 7 0 8 AA Zelle R614650 14 65 0 9 1 616340 16 34 0 6 1 016500 16 50 0 8 1 216650 16 65 2 317500 17 3 50 0 0 7 1 2 A Zelle R2317650 17 65 1 2 2 518350 18 35 0 7 1 218500 18 3 49 8 1 1 2 218650 18 6 65 2 0 8 3 5 Weitverbreitet u a in Notebooks Elektroautos E Zigaretten und Taschenlampen21700 21 70 3 5 46 auch als 2170 bezeichnet Anwendung bislang uberwiegend in Elektroautos und E bikes 47 48 22500 22 3 51 4 2 0 2 6 Ersatz fur 3 AAA Pack in Taschenlampen23430 23 43 3 3 5 2 Sub C Zelle25500 24 3 49 2 3 7 5 026500 26 50 2 4 C Zelle R1426650 26 5 65 4 3 3 5 2 Weitverbreitet u a in Elektroautos32600 0 32 61 9 5 5 6 0 D Zelle R204680 46 80 Tesla in zukunftigen Elektroautos 49 4695 46 95 BMW in zukunftigen Elektroautos 50 46120 46 120 BMW in zukunftigen Elektroautos 50 Eigenschaften Bearbeiten Vergleich von Leistungs und Energiedichte einiger Energiespeicher Ragone Diagramm Da Lithium Ionen Akkumulator der Oberbegriff fur eine Vielzahl an moglichen Kombinationen von Materialien fur Anode Kathode und Separator darstellt ist es schwierig allgemeingultige Aussagen zu treffen Je nach Materialkombination unterscheiden sich die Eigenschaften teilweise deutlich Hinzu kommt die fortwahrende Verbesserung durch die Akkuhersteller die in den letzten Jahren insbesondere auf den bekannten Problemfeldern wie Haltbarkeit und Sicherheit erhebliche Verbesserungen erzielen konnten wahrend die spezifische Energie nur in vergleichsweise geringem Umfang erhoht wurde 51 Allen Lithium Ionen Akkumulatoren gemeinsam ist dass die Zellen gasdicht versiegelt sein mussen und lageunabhangig betrieben werden konnen Die spezifische Energie liegt in der Grossenordnung von 150 Wh kg und die Energiedichte in der Grossenordnung von 400 Wh l womit Lithium Ionen Akkumulatoren insbesondere im Bereich mobiler Anwendungen als elektrischer Energiespeicher interessant sind und den Aufbau kleiner und leichter Akkumulatoren erlauben 52 Die temperaturabhangige Selbstentladungsrate liegt im Bereich von nahe 0 bis 8 pro Monat der typische Temperaturbereich fur den Einsatz liegt bei ca 30 C bis 60 C Wirkungsgrad Bearbeiten Coulomb Wirkungsgrad Der Coulomb Wirkungsgrad bzw die Coulomb Effizienz betragt typischerweise annahernd 100 53 das heisst fast die gesamte in den Akkumulator geflossene Ladung kann diesem auch wieder entnommen werden Nur wahrend der ersten Zyklen ist die Coulomb Effizienz geringer da ein Teil der Lithiumionen mit der Elektrolytlosung an der Anode und Kathode irreversibel unter Ausbildung von Deckschichten reagiert 54 Speichervermogen in Abhangigkeit vom Entladestrom Das Speichervermogen in Abhangigkeit vom Entladestrom kann durch die Peukert Gleichung naherungsweise beschrieben werden Je hoher der Entladestrom desto weniger elektrische Energie kann dem Akku entnommen werden Fur Lithium Ionen Akkus liegt die Peukert Zahl bei ca 1 05 Energie Effizienz Es kommt wie bei jedem Akkumulator zu Energieverlusten durch den Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen Typische Gesamtwirkungsgrade fruher Lithium Cobaltdioxid Akkumulatoren vor 2006 betrugen um die 90 53 Werden im Verhaltnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkumulators kleine Lade und Entladestrome verwendet konnen auch uber 98 erreicht werden Spezifische Energie und Energiedichte Bearbeiten Die massenbezogene spezifische Energie ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel Cadmium Akkumulators und liegt bei 0 09 0 25 kWh kg die volumenbezogene Energiedichte liegt bei 0 2 0 5 kWh l je nach verwendeten Materialien 55 Anwendungen die eine besonders lange Lebensdauer benotigen beispielsweise fur den Einsatz in Elektroautos laden und entladen den Lithium Ionen Akku oft nur teilweise z B von 30 bis 80 statt von 0 bis 100 was die Zahl der moglichen Lade Entlade Zyklen uberproportional erhoht aber die nutzbare Energiedichte entsprechend reduziert 56 Spannung Bearbeiten Material SpannungLiCoO2 3 6 VLiMnO2 3 7 3 8 VLiFePO4 3 2 3 3 VLi2FePO4F 3 6 VEin konventioneller LiCoO2 Akku liefert eine Nennspannung von 3 6 Volt die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel Metallhydrid Akkumulators NiMH Akku ist Die Ladeschlussspannung liegt bei bis zu 4 3 Volt Die Entladeschlussspannung betragt 2 5 Volt eine Tiefentladung fuhrt zu irreversibler Schadigung und Kapazitatsverlust Die Zellspannung hangt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab und ist daher von Akkutyp zu Akkutyp leicht unterschiedlich 56 Ladevorgang Bearbeiten Batteriemanagementsystem Bearbeiten Hauptartikel Batteriemanagementsystem Lithium Ionen Akku Uberwachungselektronik Uber und Entladungsschutz Ein weiteres Merkmal aller Lithium Ionen Akkumulatoren ist dass die Zellen von der Zellchemie her nicht imstande sind Uberladungen zu verkraften 57 weshalb dieser Akkutyp uber lange Zeit nicht eingesetzt wurde obwohl er bereits in den 1980er Jahren entwickelt worden war 58 Da integrierte Schaltkreise sehr preisgunstig geworden sind konnen Lithium Ionen Akkus heute in Verbindung mit einem Batteriemanagementsystem Elektronische Schaltung BMS betrieben werden was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp erheblich erhoht hat Bei Akku Packs kleiner und mittlerer Baugrosse ist diese Elektronik meist integriert Spezielle Laderegler dienen dem Schutz gegen Tiefentladung und Uberladung Die Elektronik steuert den ladungsabhangigen Ladestrom und uberwacht insbesondere die exakt einzuhaltende Ladeschlussspannung Eine selbstruckstellende Sicherung verhindert Uberstrom beziehungsweise Kurzschluss Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps abgestimmt Akku Packs in denen zur Spannungserhohung mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden verfugen oft zusatzlich uber eine Elektronik die durch sog Cell Balancing den Ladezustand aller Zellen in einem Pack aneinander angleicht 59 60 Insbesondere muss die Ladung beendet oder der Ladestrom reduziert werden wenn die erste Zelle die Maximalspannung uberschreitet Ebenso ist die Entladung zu beenden wenn die erste Zelle die Minimalspannung unterschreitet Bei der Integration einer solchen Uberwachungselektronik in die Zelle vergrossern sich die Abmessungen der Akkumulatoren allerdings etwas was im Falle von standardisierten Lithium Ionen Zellen wie der 18650 dazu fuhrt dass diese nicht mehr in handelsubliche Fassungen eingesetzt werden konnen da sich die Lange um 3 bis 4 mm erhoht Ladeverfahren Bearbeiten Da Lithium Ionen Akkus keinen Memory Effekt haben und auch nicht formiert werden mussen werden sie immer auf die gleiche Art geladen Bei den meisten handelsublichen Akkus wird das CC CV Ladeverfahren constant current constant voltage charging angewandt Dabei wird der Akku solange mit einem konstanten Strom geladen bis die Ladeschlussspannung erreicht wird Die Ladeschlussspannung ist abhangig von der Nennspannung des jeweiligen Akkutyps 61 Der Ladestrom sinkt dann mit der Zeit immer weiter ab je voller der Akkumulator wird Sobald der Strom einen bestimmten Wert z B C 10 oder gar nur 3 Prozent des anfanglichen Stroms unterschreitet oder er uber einen langeren Zeitraum nicht mehr sinkt wird die Ladung beendet 56 Die Hohe des Ladestromes wird je nach Akkutyp nach dem C Faktor bemessen 62 Die Ladeschlussspannung von produktabhangig 3 6 V LiFePO4 bis 4 3 V LiMnO2 darf allenfalls mit einer geringen Toleranz z B 50 mV uberschritten werden Die Verwendung einer etwas niedrigeren Ladeschlussspannung ist hingegen unkritisch Einer gewissen Verringerung der Kapazitat steht meist eine deutliche Erhohung der Zahl der nutzbaren Lade Entlade Zyklen gegenuber Ladezustandsanzeige in Smartphones Bearbeiten Mobiltelefone stellen den Ladezustand der enthaltenen Li Ion Batterie oft als Prozentangabe dar Diese Angabe kann allerdings nur als Schatzung angesehen werden da sie sich in der Regel an der gemessenen Batteriespannung orientiert welche wahrend der Entladung der Batterie abfallt Der Zusammenhang zwischen Spannung und noch in der Batterie enthaltenen Energie ist jedoch nicht linear und stellt nur eine Annaherung dar 63 Uberladung Bearbeiten Droht eine Uberladung trennt die Uberwachungselektronik die Zelle von der Stromquelle bis die Elektronik eine Spannungsreduktion erkennt Nicht alle auf dem Markt erhaltlichen Akkus besitzen eine integrierte Uberwachungselektronik Bei Uberladung einiger Typen von Lithium Ionen Akkus kann metallisches Lithium an der Kathode Elektrolyse reduziert werden und sich ablagern oder es wird Sauerstoff aus der Anode Elektrolyse freigesetzt Letzterer gast bestenfalls durch ein Sicherheitsventil aus oder reagiert mit Elektrolyt oder Anode Dabei heizt sich der Akkumulator auf und kann sogar in Brand geraten 56 Andere Lithium Ionen Akkus wie der LiFePO4 Akku sind thermisch stabil werden aber bei Uberladung ebenfalls irreversibel geschadigt Entladung Bearbeiten Die Spannung des Lithium Ionen Akkus sinkt wahrend der Entladung zunachst recht schnell von der erreichten Ladeschlussspannung auf die Nennspannung ca 3 6 bis 3 7 V ab sinkt dann aber wahrend eines langen Zeitraums kaum weiter ab Erst kurz vor der vollstandigen Entladung beginnt die Zellspannung wieder stark zu sinken 64 Die Entladeschlussspannung betragt je nach Zellentyp um die 2 5 V diese darf nicht unterschritten werden sonst wird die Zelle durch irreversible chemische Vorgange zerstort Viele Elektronikgerate schalten aber schon bei deutlich hoheren Spannungen z B 3 0 V ab Es ist empfehlenswert Lithium Ionen Akkus flach zu ent laden da sich deren Lebensdauer so verlangert Wenn ein Lithium Ionen Akku immer von 100 Ladezustand auf 0 entladen wird bevor er wieder geladen wird erreicht er nur die minimale Zyklenzahl Besser ist es je nach Typ z B 70 Entladetiefe anzuwenden Dies bedeutet dass der Akku noch 30 Restkapazitat enthalt wenn er wieder geladen wird Einige Hersteller geben die Zyklenlebensdauer in Abhangigkeit vom Entladungsgrad an 65 Generell gilt dass hohe Entladestrome sowohl die Nennkapazitat eines Akkus senken da dank des hoheren Spannungsabfalls am Innenwiderstand die Entladeschlussspannung fruher erreicht wird als auch die Zyklenzahl aufgrund der hoheren mechanischen und thermischen Belastung reduzieren In fruheren Veroffentlichungen wird noch auf einen optimalen Entladestrom von 0 2 C das heisst einem Entladestrom in Hohe von einem Funftel des Nominalwerts der Nennkapazitat in Ah hingewiesen Bei einem Akku mit einer Kapazitat von 5 Ah waren dies 1 A 66 Tiefentladung Bearbeiten Zur Verhinderung einer Tiefentladung von Zellen schaltet das Batteriemanagement den Akku temporar ab Im Falle einer integrierten Schutzelektronik kann dann an den Kontakten des Akkupacks keine Spannung mehr gemessen werden Der Akku wird von der Schutzelektronik erst wieder an die Kontakte geschaltet wenn eine aussere Lade Spannung anliegt Ladegerate welche die Ladespannung erst freigeben wenn sie erkennen dass ein Akku angeschlossen wurde laden solche Akkus unter Umstanden nicht auf Tiefentladung fuhrt meist zu irreversibler Schadigung und Kapazitatsverlust Wenn eine Zelle auf unter 1 5 V entladen wurde sollte sie nicht mehr verwendet werden da sich dann mit einiger Wahrscheinlichkeit Brucken ausgebildet haben die zu einem Kurzschluss fuhren Selbstentladung Bearbeiten Lithium Ionen Akku altern schneller bei hoherem Ladezustand und hoheren Temperaturen Vorteilhaft aber in der Praxis unrealistisch ware ein nur wenig geladener kuhl gelagerter regelmassig kontrollierter Akku der vor Benutzung geladen und nach Benutzung gegebenenfalls teilweise wieder zu entladen ware Mit viel Aufwand und im entscheidenden Augenblick vielleicht leeren Akku konnte man die Lebensdauer etwas verlangern Wichtig ist es allerdings selten genutzte Akkus alle 18 bis 24 Monate auf den Ladezustand zu kontrollieren und nachzuladen um Tiefentladungen zu verhindern Altere Quellen nennen eine Selbstentladung bei 5 C von etwa 1 bis 2 Monat bei 20 C etwa 30 Monat 67 Aktuelle Angaben geben eine Selbstentladung von 3 Monat auch bei Zimmertemperatur an 65 Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 55 bis 75 nachgeladen werden Lithium Ionen Akkumulatoren durfen sich auch bei Lagerung nicht unter 2 7 V pro Zelle entladen Eventuell flussige oder gelformige Elektrolyte in der Zelle durfen nicht gefrieren was einer Mindesttemperatur um 25 C entspricht Die Ursache der Selbstentladung kommt durch DMT welches aus den PET Klebebandern entweicht neuere Generationen werden dieses Problem nicht mehr haben 68 69 Sofern es die ortlichen Gegebenheiten zulassen ist aus Sicherheitsgrunden eine Lagerung der Lithiumbatterien im Freien vorteilhaft Auch ein Brandschutzkonzept sollte vorliegen da Lithiumbatterien auf Basis von Lithium Cobalt III oxid thermisch durchgehen konnen Widerstandsfahige Stahlbehalter oder Brandschutzschranke konnen eine Kettenreaktion verhindern da sie Schutz vor Funken Flammen Hitze und Projektilen Splitter aus einer Explosion einer Batterie darstellen insbesondere in Lagerbehaltern kommen oftmals noch Loschgranulate zum Einsatz die einen moglichen Akku Brand eindammen Zusatzlich sollten die Stahlbehalter oder Brandschutzschranke uber ein Gasmanagementsystem verfugen So konnen bei einem Batteriebrand entstehende Gase sicher aus dem Behalter gefuhrt werden und eine Explosion des Behaltnisses unterbunden werden 70 Lebensdauer Bearbeiten Lithium Ionen Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung wobei eine vollstandige Ladung und Entladung als Zyklus bezeichnet wird als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit kalendarische Lebensdauer Insbesondere die Mehrheit der in Endverbrauchergeraten verbauten Lithium Ionen Akkus der ersten Generationen hatte nur eine kurze Lebensdauer Teilweise konnten die Nutzer schon nach einem Jahr erhebliche Kapazitatsverluste feststellen nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithiumionen Akku bereits unbrauchbar geworden Dabei stellte sich heraus dass der schleichende Kapazitatsverlust weniger von der Zahl der Lade Entlade Zyklen sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing Je hoher die Temperatur und je voller der Akku desto eher kam es zum Ausfall Als Grund hierfur werden in der Regel parasitare unumkehrbare chemische Reaktionen genannt 71 Bei aktuellen Lithium Ionen Akkus liegt die kalendarische Lebensdauer deutlich hoher so dass inzwischen meist die erreichbare Zahl der Lade Entladezyklen entscheidet wie lange der Akku verwendet werden kann Die erreichbare Zahl der Lade Entladezyklen ist abhangig von Art und Qualitat des Akkus von der Temperatur und von der Art der Nutzung des Akkus insbesondere Ent Ladehub Ladeschlussspannung und Starke der Lade sowie Entladestrome Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklenhaltbarkeit drastisch weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte Niedrige Temperaturen wahrend des Betriebs nicht jedoch wahrend der Lagerung sind ebenfalls schadlich Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark uberproportional verbessert das heisst dass ein Lithium Ionen Akku von dem statt 100 nur 50 der maximalen Kapazitat entladen und dann wieder geladen werden mehr als die doppelte Zyklenzahl durchhalt Der Grund hierfur ist dass bei vollstandig entladenem und vollstandig geladenem Akku hohe Belastungen fur die Elektroden entstehen Optimalerweise werden bei solchen seicht zyklisierten Akkus sowohl die Ladeschlussspannung reduziert als auch die Entladeschlussspannung erhoht Ebenso erhohen starke Lade und Entladestrome die mechanischen und thermischen Belastungen und wirken sich so negativ auf die Zyklenzahl aus 72 Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Lithium Ionen Akkus mit langerer Haltbarkeit verkauft Apple gab im Juni 2009 an die in den neuen Modellen der MacBook Pro Familie verbauten Akkus seien bis zu 1 000 Mal wiederaufladbar bevor sie nur noch 80 ihrer ursprunglichen Kapazitat erreichten Das soll einer Verdreifachung der Lebensdauer gegenuber den herkommlichen Akkus entsprechen 73 Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen meist LiCoO2 Akkus gelernten Anwendungsregeln Betrieb und Lagerung bei moglichst tiefer Temperatur Lagerung nur im teilgeladenen Zustand generell weder ganz geladen noch ganz entladen konnte die mit den neueren Akkus erzielbare Zyklenzahl auch hoher ausfallen Ein Community Portal zur Akku Lebensdauer von Laptop Akkus nennt bei einer Fallzahl von 1 644 eine durchschnittliche Zyklenzahl von 424 bei 82 Restkapazitat wobei auch Falle von 60 Verlust nach nur 120 Zyklen nicht selten seien 74 Bei E Bike Batterien zweier namhafter Hersteller konnte der ADAC im Oktober 2015 bei einem Test nach 500 Voll Ladezyklen noch mindestens 80 der Gesamtkapazitat bestatigen 75 Bei Elektrofahrzeugen wurden 2009 mindestens 1 000 bis etwa 3 000 Lade und Entladezyklen angegeben und 1 000 76 bis 1 750 Zyklen 2020 nachgewiesen 77 Ende 2019 geht man von 2 000 Zyklen aus 78 Betriebs und Umgebungstemperatur Bearbeiten Da bei Kalte die chemischen Prozesse auch die Zersetzung des Akkumulators bei der Alterung langsamer ablaufen und die Viskositat der in Li Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt erhoht sich auch beim Lithium Ionen Akku bei Kalte der Innenwiderstand wodurch die entnehmbare Leistung sinkt Zudem konnen die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen ab 25 C einfrieren Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0 40 C an Optimal sind fur viele Zellen 18 25 C Unter 10 C kann bei manchen Typen durch den erhohten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen dass ein Gerat mit hoherem Strombedarf nur noch einige Minuten betrieben werden kann Es gibt Lithium Ionen Akkus mit speziellen Elektrolyten die bis 54 C eingesetzt werden konnen Durch das Laden bei niedrigen Temperaturen tritt meist eine starke Alterung auf die mit irreversiblem Kapazitatsverlust einhergeht 79 Aus diesem Grund wird fur die meisten Akkus 0 C als untere zulassige Temperatur wahrend des Ladevorgangs angegeben Bei zu hohen Betriebstemperaturen bildet sich bei vielen Systemen durch Zersetzung des Elektrolyts eine Schicht auf der Anode die den Zellinnenwiderstand erhoht Die Temperatur wahrend des Entladevorgangs wird von den meisten Herstellern deshalb auf 60 C limitiert Lithium Ionen Akkumulatoren erwarmen sich wahrend des Entladevorgangs besonders bei hohen Stromen Die maximale Temperatur hangt dabei in vielen Fallen linear von der Entladerate ab 80 81 Preis Bearbeiten Lernkurve von Lithium Ionen Akkus Der Preis fur Akkus ist in drei Jahrzehnten um 97 gesunken 82 83 Die Kosten von Lithium Ionen Akkus gehen stetig zuruck Eine weitere Kostensenkung wird sowohl aufgrund von technischen Fortschritten als auch der Erhohung der Produktionskapazitaten erwartet 84 Zwischen 1991 als Lithium Ionen Akkus in den Markt eingefuhrt wurden und 2018 fielen die Zellpreise um 97 Der Ruckgang betrug im Zeitraum 1992 bis 2016 durchschnittlich 13 pro Jahr 85 Zwischen 2010 und 2020 fielen die Kosten von 1100 Dollar kWh auf durchschnittlich 137 Dollar kWh dies ist eine Preisreduktion um 89 Erstmals wurden zudem bei einzelnen Akkupacks fur chinesische E Busse Preise von unter 100 Dollar kWh erzielt Die Marke von 100 Dollar kWh wird per Faustformel als etwa die Schwelle angesehen bei denen Fahrzeughersteller E Autos zum gleichen Preis und mit gleicher Marge wie herkommliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor verkaufen konnen Erwartet wird dass diese Preise im Durchschnitt im Jahr 2023 erreicht sein werden 86 Eine Studie des US Energieministeriums vom Februar 2017 weist darauf hin dass die Kosten der Traktionsbatterie samt Kapselung Gehause Elektronik und Temperatur Management dem Preis der Zellen nur verzogert folgen 87 Lithium Ionen AkkuGefahren beim Umgang mit Lithium Ionen Akkus BearbeitenTransport Bearbeiten Gefahrzettel 9A Gefahr der Klasse 9 Verschiedene gefahrliche Stoffe und Gegenstande Fur die Beforderung von Lithium Akkumulatoren Batterien gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften Einstufung aller Lithium Batterien seit dem 1 Januar 2009 als Gefahrgut der Klasse 9 88 Um sie versenden zu durfen muss in der Regel durch den Zell bzw Batteriehersteller zunachst der UN Transport Test UN DOT 38 3 89 englisch UN Transportation Testing von einem akkreditierten Pruflabor durchgefuhrt werden Hierbei handelt es sich um insgesamt acht Tests Dieser Test ist zu dokumentieren ab 2019 verpflichtend ab 2020 erfolgt dies in einem inhaltlich formal vorgegebenen Testbericht test report fur den Strassentransport das Europaische Ubereinkommen uber die internationale Beforderung gefahrlicher Guter auf der Strasse ADR Die Ubergangsvorschrift gem 1 6 1 20 ADR findet Anwendung fur den Seetransport der International Maritime Dangerous Goods Code fur den Lufttransport die ICAO Technical Instructions ICAO T I bzw die IATA Dangerous Goods Regulations IATA DGR das Gesetz uber die Beforderung gefahrlicher Guter GGBefG Deutschland die Gefahrgutverordnung Strasse Eisenbahn und Binnenschifffahrt GGVSEB Deutschland Viele Paketdienste Fluggesellschaften und Flughafen haben zusatzlich eigene Beforderungsbestimmungen fur Lithium Ionen Akkus wobei kleinere Akkus ca lt 100 Wh meist unproblematisch sind Fur den DHL Versand von Artikeln die Lithium Ionen Akkumulatoren oder Batterien enthalten gilt z B eine Regelung fur die Beforderung von gefahrlichen Stoffen und Gegenstanden 90 Grundsatzlich unterscheiden die Gefahrgutvorschriften zwischen kleinen und grossen Lithiumbatterien Klein bedeutet dabei bei Lithium Ionen Batterien eine max Nennenergie von 20 Wh je Zelle bzw 100 Wh je Batterie Bei Lithium Metall Batterien gelten Zellen bis 1 g Lithiumgehalt bzw Batterien bis 2 g Lithiumgehalt als klein Kleine Zellen Batterien unterliegen entweder einzeln in oder mit Geraten Verbrauchern befordert erleichterten Bedingungen wahrend grosse Zellen Batterien gefahrgutrechtlich umfangreicheren Transportbedingungen unterliegen 91 Die Erleichterungen fur kleine Zellen Batterien sind im Strassen See und Lufttransport weitestgehend gleich wobei es fur den Lufttransport strengere Anforderungen bzgl der im Paket zulassigen Batteriemenge gibt Grundlage ist die Sondervorschrift SV 188 ADR IMDG Code bzw die entsprechenden Verpackungsanweisungen packing instructions PI 965 PI 970 jeweils Section II Daruber hinaus wird beim Versand zusatzlich zwischen intakten potenziell defekten beschadigten Akkus sowie Akku Prototypen unterschieden fur die es jeweils abweichende Vorgaben gibt 92 Der Versand von Paketen mit kleinen Zellen Batterien erfolgt in der Regel mit einer deutlich sichtbaren Kennzeichnung welche auf den Inhalt hinweist Sofern es sich um eingebaute Knopfzellen handelt ist diese Kennzeichnung nicht vorgeschrieben Ebenfalls ohne Kennzeichnung durfen Pakete versendet werden die max 2 in Geraten eingesetzte kleine Lithiumbatterien enthalten sofern die Sendung aus nicht mehr als 2 solchen Paketen besteht Der Aufkleber enthalt Hinweise uber daruber 93 das Vorhandensein von Lithium Ionen Zellen bzw Batterien erkennbar an der aufgefuhrten UN Nummer dass bei Beschadigung Entzundungsgefahr besteht eine Telefonnummer bei der man zusatzliche Informationen erhalten kann Auch fur Lithiumbatterien im Passagiergepack von Flugreisenden gibt es detaillierte Regelungen so durfen beispielsweise einzelne Lithiumbatterien ohne Gerat Verbraucher wie Powerbanks oder Ersatzbatterien nicht im aufgegebenen Gepack transportiert werden sondern mussen zwingend im Handgepack mitgefuhrt werden Fluggesellschaften sind verpflichtet ihre Passagiere auf die entsprechenden Regelungen zu Gefahrgut im Gepack durch Aushange Fragen beim Check In oder deutliche Hinweise beim Check In im Internet hinzuweisen Auch die nationalen Luftfahrtbehorden wie das deutsche LBA haben die Bestimmungen dazu veroffentlicht 94 Mechanische Belastung Bearbeiten Mechanische Beschadigungen wie in die Akkuzelle eindringende Objekte oder ein Herunterfallen konnen zu inneren elektrischen Kurzschlussen fuhren Dadurch fliessen hohe Strome die zur Erhitzung des Akkumulators fuhren Dabei konnen Gehause aus Kunststoff schmelzen und entflammen Unter Umstanden ist ein mechanischer Defekt von aussen nicht unmittelbar zu erkennen Auch langere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen Ebenso kann durch aussere Beschadigung Luft und insbesondere Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen und unerwunschte chemische Reaktionen hervorrufen Chemische Reaktionen Bearbeiten Dendritenbildung Bearbeiten Zur Ursache und Vermeidung von Dendritenbildungen wird intensiv geforscht Bei dem Vorgang lagert sich Lithium welches beim Entladen des Akkumulators in Losung ging beim erneuten Ladevorgang nicht wieder an derselben Stelle ab und bildet stattsdessen Dendrite Diese durchsetzen den Separator konnen diesen spater auch durchdringen und somit Kurzschlusse verursachen Als Ursache fur die Dendritenbildung wird von einigen Forschergruppen die Zusammensetzung der Oberflachenschicht auf der negativen Elektrode und des Elektrolyten angenommen Experimentelle Forschungsergebnisse aus dem Helmholtz Institut Ulm zeigen jedoch in eine andere Richtung eine dem Metall innewohnende Eigenschaft bedingt die astartigen Auswuchse Die Forscher meinen die so genannten Selbstdiffusionsbarrieren verschiedener Metalle die in Akkus verwendet werden als Basis identifiziert zu haben Diese Barrieren sind ausschlaggebend fur die Gleichmassigkeit mit der sich die Metallatome beim Wiederaufladen der Batterie nach der Abscheidung auf der Anodenoberflache verteilen 95 96 Ubertemperatur Bearbeiten Abgebrannter Lithium Cobaltdioxid Akkumulator aus einer Boeing 787 als Folge des thermischen DurchgehensDie meisten Lithium Ionen Akkumulatorentypen werden durch Ubertemperatur beschadigt da es bei einigen der haufig eingesetzten Oxide wie Lithium Cobalt III oxid und Mischoxiden wie Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxiden ab Temperaturen von ca 180 C zu einem thermischen Durchgehen kommt bei dem die im Akku gespeicherte Energie in kurzester Zeit durch direkte chemische Reaktion in Form von Warme frei wird Viele BMS wie z B in 18 V Werkzeugakkus von Makita verfugen daher uber eine Temperatursicherung Oxide wie Nickeldioxid welche zwar den Bau von Lithium Ionen Akkumulatoren mit vergleichsweise hoher spezifischer Kapazitat erlauben neigen stark zu thermischem Durchgehen und werden daher in kommerziellen Anwendungen praktisch nicht verwendet 97 Beim thermischen Durchgehen wird durch den chemischen Zerfall des Oxids im Akkumulator Sauerstoff freigesetzt welcher chemisch mit Zellbestandteilen wie dem Elektrolyten reagiert und so zu einer sich selbst steigernden von aussen nicht mehr anhaltbaren exothermen Reaktion und thermischer Zerstorung des Akkumulators fuhrt Dies gilt fur alle bekannten Kathodenmaterialien auch fur Lithiumeisenphosphat 98 Die Kathodenmaterialien unterscheiden sich allerdings in der Onset Temperatur bei der die exotherme Reaktion beginnt und hinsichtlich der dabei freigesetzten Energie Um einen klassischen Metallbrand handelt es sich hier nicht da die Gesamtmenge an metallischem in Graphit intercaliertem Lithium auch im geladenen Zustand nicht sehr gross ist und durch die kompakte Bauform intern mit dem Metalloxid abreagiert Gewohnliche Loschmittel Schaum Kohlensaure bes Wasser durch die Kuhlwirkung sind daher wirksam und konnen gefahrlos verwendet werden 99 Die mogliche Brandgefahr kann zu kostspieligen Ruckrufaktionen der Hersteller fuhren 100 Abhilfe Bearbeiten Keramische temperaturbestandigere Separatoren gewahren eine erhohte Sicherheit Ebenso konnen Zellchemikalien eingesetzt werden die thermisch stabiler sind oder deren Zersetzung nicht exotherm ablauft Beispielsweise konnen statt kostengunstiger Lithium Cobaltdioxid Akkumulatoren betriebssichere Lithium Eisenphosphat Akkumulatoren eingesetzt werden Diese weisen allerdings neben einem hoheren Preis auch eine geringere Energiedichte auf und erlauben keine derart kompakten Bauformen wie Lithium Cobaltdioxid Akkumulatoren Weitere unmittelbar in die Zelle integrierte Schutzmassnahmen betreffen die elektrische Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem ausseren Zellanschluss Die Verbindung kann so ausgefuhrt werden dass sie wie eine Schmelzsicherung wirkt und zusatzlich beim Offnen etwaiger Berstoffnungen abgerissen wird Diese zellinternen Schutzmechanismen sind jedoch in der Regel irreversibel ausgefuhrt Ausser den zellinternen Schutzvorrichtungen gibt es innerhalb moderner Batterien meist weitere elektronische Schutzschaltungen Deren Funktionen reichen von komplexen Batteriemanagementsystemen BMS mit Temperatursensoren Ladeelektronik Batteriezustandsuberwachung und externen Kommunikationsanschlussen smart batteries bis zu einfachen zumeist reversibel wirkenden Sicherheitsschaltungen die lediglich die Uberladung oder Uberlastung der Batterie verhindern sollen In arbeitswissenschaftlichen Untersuchungen wurde festgestellt dass der Umgang mit leistungsstarken Lithium Ionen Akkumulatoren wie deren Fertigung Einbau Lagerung Entsorgung sowie bestimmte Betriebszustande nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitsschutz hat Die Gefahren wie bei Arbeiten mit hoheren elektrischen Spannungen und die Handhabung von Gefahrstoffen der eingesetzten Zellchemie konnen durch Anpassung und konsequente Umsetzung bestehender Sicherheitsanforderungen minimiert werden 101 Beispiele von Vorfallen Bearbeiten Im Automobilbau kommt es durch besonders hohe Sicherheitsanforderungen auf Grund der hohen installierten Energiemengen teilweise zu Verzogerungen beim Einsatz So verschob Opel die Auslieferung des Ampera als drei Wochen nach einem Crashtest eines baugleichen Chevrolet Volt der versuchsweise nicht ausgebaute voll geladene Akku uberhitzte und zum Fahrzeugbrand fuhrte 102 Daraufhin wurde das Sicherheitskonzept der Traktionsbatterie uberarbeitet 103 Der Umgang mit brennenden Elektroautos stellt Pannendienste und Feuerwehren vor neue Herausforderungen da z B fur die Loschung wesentlich mehr Wasser benotigt wird Zudem ist ein spezieller Kuhlcontainer fur den Abtransport erforderlich 104 105 106 107 Ahnlich sieht es bei E Bikes aus 108 Umweltauswirkungen BearbeitenCO2 Bilanz Bearbeiten Bei der Herstellung der Akkumulatoren entsteht Kohlenstoffdioxid Wahrend fruhere Studien zum Ergebnis kamen dass pro installierter Kilowattstunde Akku Energiespeichervermogen etwa 70 kg Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden 109 110 111 kam eine im Jahr 2017 erschienene Uberblicksstudie uber den aktuellen Forschungsstand auf einen Mittelwert von ca 110 kg pro installierten kWh 112 Eine 2019 erschienene Uberblicksarbeit bezifferte den CO2 Ausstoss bei der Herstellung des am haufigsten verwendeten NMC Typs auf etwa 61 bis 106 kg CO2 Aquivalente 113 Abhangig von verschiedenen Faktoren wie z B dem Strommix fur die Batterie Herstellung liegt die Spanne zwischen 38 und 356 kg CO2 eq kWh Es existieren verschiedene Moglichkeiten diese CO2 Emissionen zu reduzieren beispielsweise durch die Senkung des Gesamtenergiebedarfs oder die Nutzung von Recyclingmaterialien Als vermutlich erfolgversprechendste Massnahme hierfur wird die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien in der Akkuproduktion angesehen 114 Nach einer Studie die im Auftrag der Europaischen Kommission erstellt wurde konnen Elektrofahrzeuge bis 2050 fast CO2 frei sein und zwar unter Berucksichtigung des gesamten Lebensweges von der Herstellung uber die Nutzung und das Recycling Dafur muss der Strom auch fur die Fahrzeugherstellung aus Erneuerbaren Energien kommen und das Recycling von Batterien muss realisiert sein 115 Ende 2020 erarbeitete die EU Kommission eine verpflichtende Nachhaltigkeitsrichtlinie wonach im Jahr 2026 35 und 2030 70 des Lithiums recycelt werden mussen 116 Bislang mussen Li Akkus zu 50 Prozent der Masse recycelt werden dafur genugt mitunter die Demontage der Batterie Ruckfuhrung des Gehauses und der Kabel Bei Haushalts Batterien gilt ein Wert von mindestens 75 Prozent 117 118 Das etwa 2017 gegrundete Unternehmen Dusenfeld im Raum Braunschweig 119 erreicht einen Wert von 96 Prozent 120 121 Rohstoffgewinnung Bearbeiten Die Umweltproblematiken von Lithium Ionen Batterien werden besonders mit Blick auf die Gewinnung von Lithium aus Salzsee Solen in sudamerikanischen Landern Chile Argentinien diskutiert 122 123 Probleme die sich aus der Li Extraktion aus Salzseen ergeben werden vor allem im Zusammenhang mit Wasserknappheit und daraus erwachsenden sozialen Konflikten thematisiert 124 Seit etwa 2018 wurde jedoch Australien zum weltweit grossten Lieferanten von Lithium wobei Lithium im Festgestein Bergbau produziert wird Die beschriebenen Herausforderungen sind auch Motivation fur das Recycling 125 Recycling Bearbeiten Ein fachgerechtes Recycling ermoglicht die Verwertung der Batterien und damit die Ruckgewinnung bestimmter Stoffe wie zum Beispiel Kobalt Mangan Nickel Zink oder Kupfer 126 Grundsatzlich gilt fur die Entsorgung in Deutschland Die Hersteller sind in der Pflicht Altbatterien unentgeltlich zuruckzunehmen 5 BattG und nach dem Stand der Technik zu behandeln und stofflich zu verwerten 14 BattG Im Batteriegesetz sind Anzeige und Rucknahmepflichten sowie Verwertungsanforderungen festgelegt 127 Um Lithium Ionen Akkumulatoren und primare Lithium Ionen Batterien zu recyclen werden verschiedene Grundoperationen zu komplexen Prozessketten kombiniert 128 Deaktivieren Entladen speziell fur Traktionsbatterien 129 Demontage der Batteriesysteme speziell fur Traktionsbatterien 129 mechanische Prozesse Schreddern Sortieren Sieben etc 128 129 hydrometallurgische Prozesse sowie pyrometallurgische Prozesse Kupfer und Aluminium konnen haufig vergleichsweise einfach durch mechanische Prozessen getrennt und recycelt werden 130 Kobalt und Nickel konnen durch pyrometallurgische Prozesse zuruckgewonnen werden Diese Wertstoffe sind fur die Prozessokonomie und Prozessokologie besonders attraktiv Das Recycling sollte mittelfristig umgesetzt werden um langfristig Engpasse zu vermeiden 128 Durch hydrometallurgische Behandlung konnen Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat zuruckgewonnen werden 130 131 Bisher Stabd 2019 war das Recycling jedoch nicht rentabel 132 Das konnte sich andern wenn die Anzahl batteriebetriebener Gerate steigt 125 129 Das LithoRec Projekt startete im Jahr 2009 mit dem Ziel die Entwicklung eines neuen Recyclingverfahrens fur Lithium Ionen Batterien aus Elektro und Hybridelektrofahrzeugen mit dem Schwerpunkt auf Energieeffizienz und eine hohe stoffliche Verwertungsquote 130 Die entwickelte Prozessroute kombiniert mechanische mild thermische und hydrometallurgische Behandlung Ab 2012 wurde die Prozessentwicklung innerhalb einer Testanlage in Braunschweig fortgefuhrt in der eine Material Recycling Rate von 75 80 pro Batteriesystem erreicht wurde 131 Die weltweit erste kommerzielle Recycling Anlage PosLX wurde 2017 von POSCO in Gwangyang Sudkorea in Betrieb genommen In dieser Anlage wird Lithiumphosphat aus alten Lithium Ionen Akkus durch das von POSCO patentierte Verfahren in Lithiumcarbonat ein Vorprodukt fur Lithium umgewandelt Die neue Fabrik hat eine Jahresproduktionskapazitat von 2 500 Tonnen Lithiumcarbonat 133 134 10 000 Tonnen pro Jahr samtlicher Arten von Lithium Ionen Batterien kann die Anlage der Redux in Bremerhaven bearbeiten 135 136 Eine weitere der grossten Recycling Anlagen Europas mit 7 000 Tonnen pro Jahr 2018 wird in Antwerpen von Umicore betrieben 132 137 In Deutschland konnen 2020 etwa 20 000 Tonnen recycelt werden was aber bei steigendem Elektrofahrzeug Aufkommen nicht hinreichend ist 119 In einer Studie aus dem Jahr 2020 wird uber den Stand und die Perspektiven des Recyclings von Lithium Ionen Batterien aus der Elektromobilitat berichtet 138 Die Ruckgewinnung von Lithium ist bislang noch in den wenigsten Verfahren realisiert bzw befindet sich im Entwicklungsstadium Daruber hinaus gibt es auch Aktivitaten zur Ruckgewinnung des Graphits aus den Lithium Ionen Batterien Zu den grossten Herausforderungen in den verschiedenen Recyclingprozessen gehort die Beherrschung des Thermischen Runaways sowie die hohe Brandlast einer Lithium Ionen Batterie Verfahren zur Lithiumruckgewinnung beim Recycling Bearbeiten Ein Verfahren zur Ruckgewinnung von 55 bis 76 Prozent des in den Batterien enthaltenen Lithiums aus alten Lithium Ionen Akkus wurde vom Karlsruher Institut fur Technologie entwickelt 139 140 Dieses mechanochemische Verfahren ermoglicht eine kostengunstige energieeffiziente und umweltvertragliche Aufbereitung von gebrauchten Akkus Der Recyclingprozess beginnt mit dem Zermahlen der Akkus in einer Ballmuhle ohne vorherige Sortierung oder Zerlegung Wahrend des Mahlens reagieren die Lithiumverbindungen in den Batterien mit dem in der Kathode enthaltenen Aluminium das als Reduktionsmittel dient Das resultierende Gemisch besteht aus metallischen Komponenten Lithiumoxid und Aluminiumoxid Magnetische Metalle wie Eisen und Cobalt werden mithilfe eines Magneten entfernt Im nachsten Schritt wird das Gemisch in Wasser gelost gefiltert und durch Verdampfen rekristallisiert Dabei entstehen Lithiumcarbonat ein fur die Akkuproduktion essentieller Rohstoff und Lithium Aluminium Hydroxyhydrat LACHH Das auskristallisierte Pulver wird anschliessend auf etwa 350 Grad Celsius erhitzt wodurch das LACHH in Lithiumcarbonat und Aluminiumcarbonat reagiert In einem weiteren Lose und Filtrationsschritt wird das Lithiumcarbonat gewonnen wahrend das Aluminiumcarbonat fest bleibt und abgetrennt werden kann Im Vergleich zu anderen Methoden werden keine Sauren korrosive Chemikalien oder extrem hohen Temperaturen benotigt was das Verfahren umweltfreundlicher und energiesparender gestaltet Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist seine universelle Einsetzbarkeit Es funktioniert mit allen derzeit in Kathoden verwendeten Lithiumverbindungen und deren Mischungen Daher konnen gebrauchte Batterien unabhangig von ihrer Zusammensetzung ohne Sortierung oder Zerlegung recycelt werden Unterschied zu Natrium Ionen Akkumulator BearbeitenMit den Lithium Ionen Akkumulatoren im Aufbau und Verfahren verwandt sind die Natrium Ionen Akkumulatoren welche das Alkalimetall Natrium in Form von Na Ionen verwenden und eine ahnliche Typenvariation aufweisen aber physikalisch bedingt grundsatzlich eine geringere Energiedichte haben 141 Dank jungerer Forschungsarbeiten ist der Wandel vom theoretischen Konzept zur praxistauglichen Technologie inzwischen gelungen Ein koreanischer Prototyp schafft etwa 500 Ladezyklen bevor die Kapazitat auf 80 Prozent fallt Im Vergleich zur Lithium Akkutechnik wird die Herstellung von Natrium Ionen Akkus nicht durch knappe Ressourcen begrenzt 142 Literatur BearbeitenLucien F Trueb Paul Ruetschi Batterien und Akkumulatoren Mobile Energiequellen fur heute und morgen Springer Berlin 1998 ISBN 3 540 62997 1 Jeff Dahn Grant M Ehrlich Lithium Ion Batteries In Thomas B Reddy Hrsg Linden s Handbook of Batteries 4 Auflage McGraw Hill New York 2011 ISBN 978 0 07 162421 3 Kapitel 26 Claus Daniel Jurgen O Besenhard Handbook of Battery Materials Wiley VCH Weinheim 2011 ISBN 3 527 32695 2 Masaki Yoshio Ralph J Brodd Akiya Kozawa Hrsg Lithium Ion Batteries Science and Technologies Springer New York 2009 ISBN 978 0 387 34444 7 Philipp Adelhelm Matthias Baumann Ralf Bindel Handbuch Lithium Ionen Batterien Hrsg Reiner Korthauer Springer Vieweg Heidelberg Berlin 2013 ISBN 978 3 642 30653 2 Peter Kurzweil Otto K Dietlmeier Elektrochemische Speicher Springer Vieweg Wiesbaden 2015 ISBN 978 3 658 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Abdalla Julius Johrens Eloise Cotton Lizzie German Anisha Harris Sebastien Haye Chris Sim Ausilio Bauen Determining the environmental impacts of conventional and alternatively fuelled vehicles through LCA Final Report for the European Commission DG Climate Action Contract Ref 34027703 2018 782375 ETU CLIMA C 4 Hrsg European Commission Brussel 2020 ISBN 978 92 76 20301 8 doi 10 2834 91418 Volkswagen startet Batterie Recycling in Salzgitter handelsblatt com 29 Januar 2021 abgerufen am 28 Februar 2021 Recycling und Entsorgung von E Auto Batterien REMONDIS Industrie Service 1 Juni 2020 abgerufen am 27 Mai 2021 motorradonline de von 22 Dezember 2020 Zero im Netzwerk fur Altbatterien abgerufen am 27 Mai 2021 a b spektrum de vom 9 Juni 2020 Die Altlast der Elektromobilitat abgerufen am 13 Juni 2020 auto motor und sport de golem de vom 28 Mai 2019 Viel zu wertvoll zum Wegwerfen abgerufen am Mai 2021 Peter Dolega Matthias Buchert Johannes Betz Okologische und sozio okonomische Herausforderungen in Batterie Lieferketten Graphit und Lithium PDF Kurzstudie erstellt im Rahmen des BMBF Verbundprojektes Fab4Lib Forschung zu Massnahmen zur Steigerung der Material und Prozesseffizienz bei der Herstellung von Lithium Ionen Batteriezellen entlang der gesamten Wertschopfungskette FKZ 03XP0142E Oeko Institut e V 29 Juli 2020 abgerufen am 18 Oktober 2020 Susanne Gotze Kehrseite der Energiewende im Deutschlandfunk am 30 April 2019 abgerufen am 9 Marz 2021 Sascha Zoske Forschungsprojekt Was Handy Akkus mit Wasserknappheit zu tun haben In FAZ NET ISSN 0174 4909 faz net abgerufen am 23 Marz 2021 a b SZ vom 13 Marz 2019 Warum Lithium aus Akkus immer noch im Mull landet Erhohte Brandgefahr in Krankenhausern Lagerungsproblematik Lithium Ionen Batterien Abgerufen am 27 Juni 2019 deutsch BattG Gesetz uber das Inverkehrbringen die Rucknahme und die umweltvertragliche Entsorgung von Batterien und Akkumulatoren Abgerufen am 27 Juni 2019 a b c Christian Hanisch Jan Diekmann Alexander Stieger Wolfgang Haselrieder amp Arno Kwade Handbook of Clean Energy Systems Recycling of Lithium Ion Batteries Hrsg Jinyue Yan Luisa F Cabeza Ramteen Sioshansi 5 Energy Storage Auflage John Wiley amp Sons Ltd 2015 ISBN 978 1 118 99197 8 Kap 27 S 2865 2888 doi 10 1002 9781118991978 hces221 a b c d recyclingnews de vom 31 Juli 2018 Energie fur die Zukunft Recycling von Lithium Ionen Akkus abgerufen am 10 Marz 2021 a b c Christian Hanisch Wolfgang Haselrieder und Arno Kwade Recycling von Lithium Ionen Batterien PDF 2012 abgerufen am 27 Marz 2022 a b Recycling of Lithium Ion Batteries In Sustainable Production Life Cycle Engineering and Management 2018 ISSN 2194 0541 S 33 doi 10 1007 978 3 319 70572 9 a b Hellmuth Nordwig Das muhsame Recycling von Lithium Ionen Akkus In Forschung aktuell Rundfunksendung auf DLF 23 Januar 2019 abgerufen am 10 Oktober 2019 Jung Min hee Urban Lithium Mine POSCO Starts Commercial Lithium Production for First Time in the World Business Korea 8 Februar 2017 abgerufen am 10 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