Einen Lithium Ionen Akku findest du heutzutage in jedem Smartphone. Wie ein Lithium Ionen Akku aufgebaut ist und wie er funktioniert, erfährst du in diesem Beitrag. Hier geht´s auch direkt zum Video !

Inhaltsübersicht

Lithium Ionen Akku einfach erklärt

Ein Lithium Ionen Akku ist ein Speicher für elektrische Energie. Er basiert auf einem Elektrolyten, das Lithium-Ionen leitet. Im Gegensatz zur einfachen Lithium-Batterie sind Lithium Ionen Akkus wiederaufladbar.

Vor allem zeichnen sich Lithium Akkus durch ihre hohe Energiedichte aus. Das heißt, sie können viel Strom bei einer kleinen Bauweise speichern. Die nutzbare Lebensdauer kann zudem sogar mehrere Jahre betragen. Sie hängt jedoch stark von den Nutzungs- und Lagerungsbedingungen ab. 

Im Alltag versorgen Lithium Ionen Akkus tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, die für herkömmliche Akkus zu schwer oder zu groß wären. Dazu gehören Smartphones, Digitalkameras, Camcorder oder Elektrowerkzeuge

Batterien

Batterien sind galvanische Zellen, die die in ihnen gespeicherte chemische Energie beim Gebrauch durch eine Redoxreaktion in elektrische Energie umwandeln. Sie lassen sich in nicht wiederaufladbare Primärzellen und wiederaufladbare Sekundärzellen unterteilen.

Lithium-Ionen-Batterien gehören zu den Sekundärzellen.

Lithium Ionen Akku Aufbau

Ein Lithium Ionen Akku folgt dem Aufbau der galvanischen Zelle. Er besteht aus einer negativen Elektrode aus Graphit, der Anode. Daneben gibt es eine positive Elektrode aus Lithium-Metalloxiden, der Kathode.

Weitere Materialien für die Kathode sind beispielsweise Lithiumcobaltoxid (LiCoO2), Lithiumnickeloxid (LiNiO2) oder der Spinell Lithiummanganoxid LiMn2O4

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Aufbau des Lithium Ionen Akkus

Der Lithium Ionen Akkumulator ist sehr wasserempfindlich. Das im Akku vorherrschende Salz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) reagiert nämlich mit Wasser zur stabilen Flusssäure (HF). Daher wählen Wissenschaftler als Elektrolyten meist eine Mischung aus wasserfreien, aprotischen Lösungsmitteln (z. B. Ethylen-/Propylencarbonat), niedrigviskosen Alkylcarbonaten bzw. Ethern (z. B. Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan) und Lithiumsalze.

Schon gewusst? Bei der Spinellstruktur sind die Tetraederlücken zu einem Achtel mit den zweifach positiv geladenen A-Ionen besetzt. Bei den Oktaederlücken ist die Hälfte mit dreifach positiv geladenen B-Ionen besetzt.

In der folgenden Tabelle findest du eine Übersicht, welche Materialien in der Herstellung des Lithium Ionen Akkus verwendet werden können.

negative Elektrode (Anode) wasserfreier Elektrolyt positive Elektrode (Kathode)
  • Graphit
  • Nanokristallines, amorphes Silizium
  • Lithiumtitanspinell (Li4Ti5O12)

Lithium-Hexafluorphosphat (LiPF6) oder Lithiumborfluorid (LiBF4) (selten) in wasserfreien aprotischen Lösungsmitteln (z.B. Ethylencarbonat, Diethylencarbonat etc.)

  • LiCoO2, LiNiO2, LiNi1−xCoxO2
  • LiMn2O4 Spinell
  • LiFePO4

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Li-Ion Akku Funktionsweise

Das Prinzip des Lithium Ionen Akkus beruht auf der Erzeugung elektromotorischer Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen. 

Im entladenen Zustand des Akkus befinden sich die Lithium-Ionen im Aktivmaterial der Kathode (Lithium-Metalloxid). Die Kathode ist deshalb die Lithium-Ionen Quelle, die eine Umwandlung chemischer in elektrische Energie erst ermöglicht. Damit das funktioniert, muss der Lithium-Akku geladen werden.

Ladevorgang
Unter Anlegen der Ladespannung wandern beim Ladevorgang die positiv geladenen Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten hindurch, von der positiven Kathode zur negativen Anode. Dort lagern sie sich zwischen den Molekülebenen des Graphits. 

Entladen
Beim Entladen des Lithium-Akkus wandern die Lithium-Ionen zurück in die Kathode aus Lithium-Metalloxid. Bei diesem Prozess entsteht die elektrische Energie, die an den Verbraucher geliefert wird.

Merke: Eine negative Elektrode aus reinem Lithium-Metall ist elektrochemisch günstig, für einen Akku jedoch ungeeignet. Der Grund hierfür ist, dass sich das Metall beim Entladevorgang verformt. Die Elektrode wird schnell unbrauchbar und nicht wiederaufladbar.

Der Elektrolyt enthält zusätzlich Lithium Ionen, um einen schnellen Elektronentransport innerhalb der Zelle zu ermöglichen. 

Reaktionsvorgänge des Lithium Ionen Akkus

Folgende Reaktionen laufen beim Lithium Ionen Akku Laden und Entladen ab:

  Ladevorgang Entladevorgang
Anode nC + xLi+ + xe → LixCn LixCnC + xLi+ + xe 
Kathode LiMnO2 → Li1-xMn2O4 + xLi+ + xe Li1-xMn2O4 + xLi+ + xe– → LiMnO2 
Redoxreaktion LiMnO2 + nC → Li1-xMn2O4 + LixCn Li1-xMn2O4 + LixCn → LiMnO2 + nC

Merke: Beim Entladen laufen die Reaktionen jeweils umgekehrt zum Ladevorgang ab.

Li-Ion Batterien: Vor- und Nachteile

Zum Schluss haben wir dir einige Vor- und Nachteile von Lithium Ionen Akkus zusammengefasst:

Vorteile Nachteile
  • Ein Lithium Ionen Akku ist wiederaufladbar (z. B. im Gegensatz zu Lithium-Batterie).
  • Ein Li-Ion-Akku hat eine höhere Energiedichte als andere Akku-Typen.
  • Ein Lithium Ionen Akku hält besonders lange. Die Lebensdauer beträgt mehrere Jahre.
  • Ein Li-Ion-Akku reagiert nachteilig auf Tiefentladung sowie Überladung. Daher benötigt der Akku elektronische Schutzschaltungen.
  • Die Lebensdauer ist von der Nutzung und den Lagerungsbedingungen abhängig.
  • Ein Lithium Ionen Akku ist empfindlich gegenüber Überspannungen und Sonnen-, Hitze- und Kälteeinwirkungen.

Lithium Ionen Akku — häufigste Fragen

  • Was ist ein Lithium Ionen Akku?
    Ein Lithium Ionen Akku ist ein elektrochemischer Speicher mit einem Elektrolyten, der Lithium-Ionen leitet.

  • Wie sind Lithium Ionen Akkus aufgebaut?
    Der Lithium Ionen Akku besitzt den gleichen Aufbau wie die galvanische Zelle. Als negative Elektrode wird Graphit eingesetzt. Die positive Elektrode besteht meist aus Lithium-Metalloxiden in einer Schichtstruktur.

  • Welchen Vorteil hat eine Li-Ion-Batterie? Eine Li-Ion-Batterie hat eine höhere Energiedichte als andere Akku-Typen wie z. B. der reine Lithium-Akku. Ein Lithium Ionen Akku hält daher besonders lange, die Lebensdauer beträgt mehrere Jahre.

  • Welche Nachteile hat eine Li-Ion Battery? Ein Li-Ion-Akku reagiert nachteilig auf Tiefentladung sowie Überladung. Darüber hinaus ist er sehr hitzeempfindlich: Lithium ist sehr reaktionsfreudig – beschädigte Akkus können überhitzen, sodass eine Brandgefahr von ihnen ausgeht.

Zink-Luft-Batterie

Nun weißt du, wie ein Lithium Ionen Akku aufgebaut ist und wie er funktioniert. Eine weitere Möglichkeit der Energiespeicherung ist die Zink-Luft-Batterie. Alles dazu erfährst du hier !

Zum Video: Zink-Luft-Batterie
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