Lithium-Ionen-Akkumulator (Lithium-Ionen-Batterie)
Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ([ˈliːtʰiʊm]-) oder Lithium-Akkumulator (auch Lithiumionenakku, Lithiumionen-Akku, Lithiumionen-Sekundärbatterie) ist ein Akkumulator 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-Akkumulatoren haben eine höhere spezifische Energie (Energie pro Eigenmasse) als andere Akkumulatortypen. Sie reagieren auf Tiefentladung und auf Überladung nachteilig und brauchen deshalb elektronische Schutzschaltungen.
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 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.
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.
Ein weiteres Merkmal aller Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist, dass die Zellen von der Zellchemie her nicht imstande sind, Überladungen zu verkraften. Bei einem Verbund mehrerer Zellen in Reihe zum Erzielen einer höheren elektrischen Spannung müssen zum Ausgleich der Toleranzen in der Kapazität zwischen den Zellen meistens zusätzliche Maßnahmen in Form eines Batteriemanagementsystems (BMS) und Balancers vorgesehen werden.
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. 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.
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.
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.
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 Batterie-Speicherkraftwerken und Solarbatterien eingesetzt
Schau mal hier: >>> Lithium-Ionen-Akkumulator <<< - Dort wird jeder fündig. (Werbung)