In der heutigen Zeit hat jeder von uns mit der Lithium-Ionen-Technologie zu tun. Lithium-Ionen-Akkus sind nicht nur mit Elektrofahrzeugen oder Drohnen verbunden, sondern auch mit verschiedenen Arten von Elektrowerkzeugen und sogar Staubsaugern.
Die ersten Versuche mit Lithiumbatterien fanden bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts statt. Trotz des enormen Potenzials von Lithium als Material für Batterien tauchten Lithium-Batterien erstmals in den 1970er Jahren auf dem Markt auf. Lithium ist ein Metall, das sich durch die geringste Dichte, ein hohes elektrochemisches Potential und ein hohes Verhältnis von Energie zu Masse auszeichnet. Ein bahnbrechendes Ereignis in der Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen war die Schaffung einer neuen Art von Lithium-Batterie durch Professor John Goodenough und Koichi Mizushima an der Universität Oxford. In diesen Batterien konnte Lithium in Form von Ionen von einer Elektrode zur anderen durch die Batterie wandern. Auf diese Weise entstand die Grundlage für die heutigen Lithium-Ionen-Akkumulatoren, deren Funktionsschema im folgenden Bild dargestellt ist:
Rys. 1. Grundlegende Elemente einer elektrochemischen Zelle (am Beispiel einer Lithium-Ionen-Zelle).
Quelle: https://zpe.gov.pl/ „Was man über Lithium-Ionen-Batterien wissen sollte?“
Im Moment des Ladens bewegen sich Lithium-Ionen von der Kohlenstoffanode zur Kathode, die mit Lithiumoxid und einem anderen Metall beschichtet ist, und werden dort gespeichert. Beim Entladen kehrt sich dieser Prozess um.
Der Akku kann beliebig viele einzelne Zellen enthalten. In den meisten Lithium-Ionen-Batterien findet man Zellen des Typs 18650 (was einem Durchmesser von 18 mm und einer Länge von 65 mm entspricht), die in Reihe geschaltet werden, um höhere Spannungen zu erreichen. Identische Zellen können sowohl in einem Laptop-Akku mit einer Spannung von 10,8 V als auch in einem Tesla-Akku mit einer Spannung von über 400 V und einer maximalen Leistung von 451 kW vorkommen. Es ist jedoch zu betonen, dass die Tesla-Batterie aus mehr als 7000 Zellen des Typs 18650 bestehen wird.
Was unterscheidet eine Zelle von einer klassischen Batterie? Zelle ist ein Gerät zur Speicherung von Energie. Es besteht aus Elektroden, einem Separator und einem Elektrolyten. Es ist das Element, das die Stromquelle ist, die durch die spontane Übertragung eines oder mehrerer Elektronen von einem Atom, Ion oder Molekül des Donors (d.h. Reduktors) zum Akzeptor (d.h. Oxidator) entsteht. Die Batterie hingegen ist ein Gerät, das die Speicherung von elektrischer Energie ermöglicht und deren sichere Abgabe erlaubt.
Auf dem kommerziellen Markt erschienen Lithium-Ionen-Batterien erst im Jahr 1991. Sie wurden damals zum ersten Mal in Kameras der Firma Sony eingesetzt. Dem Hersteller von Unterhaltungselektronik folgten bald weitere Unternehmen.
Die wichtigsten Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien
Aufgrund der zahlreichen Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus finden sie zunehmend auch Anwendung in Elektrofahrzeugen. Neben dem Hauptvorteil, der hohen Energiedichte, zeichnen sich die Batterien durch das Fehlen des Memory-Effekts, eine geringe Umweltbelastung und eine deutlich langsamere Selbstentladung im Vergleich zu anderen Arten von Akkumulatoren aus.
Der Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batterien und ihre Lebensdauer sind relativ lang, wenn die richtige Nutzungsmethode und optimale Arbeitsbedingungen eingehalten werden. Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Akkus im Vergleich zu Batterien anderer Technologien effizienter, laden viel schneller auf und sind leichter. Das geringere Gewicht ist auch für Elektrofahrzeuge von wesentlicher Bedeutung. Ein Fahrzeug mit solchen Batterien kann sich nicht nur eine größere Ladung leisten, sondern bietet auch eine größere Reichweite bei einer einzigen Ladung. Lithium-Ionen-Batterien können jederzeit aufgeladen werden. Es ist nicht notwendig, bis zur vollständigen Entladung zu warten, was sie im täglichen Gebrauch bequemer macht.
Es gibt keinen Fisch ohne Gräten und keine Batterie ohne Mängel.
Der größte Nachteil von Lithium-Ionen-Batterien ist ihr hoher Preis. Die Anschaffungskosten solcher Batterien sind im Durchschnitt dreimal höher im Vergleich zu ihren traditionellen Pendants. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine geringe Toleranz gegenüber niedrigen und sehr hohen Temperaturen aus. Es wird empfohlen, die Batterien bei Temperaturen im Bereich von 0 – 35°C zu lagern und zu verwenden. Zu niedrige Temperaturen wirken sich negativ auf ihre Kapazität aus, während zu hohe die Lebensdauer der Zellen verkürzen. Es sollte nicht übersehen werden, dass der Lithium-Ionen-Akku auch im Ruhezustand Ladung verliert. Der Lebenszyklus einer Lithium-Ionen-Batterie hängt vor allem von der Intensität und der Art ihrer Nutzung ab. Unkorrektes Nutzen beschleunigt ihren Verschleiß erheblich. Am schädlichsten für die Batterie ist es, sie auf 0% zu entladen und sie längere Zeit in diesem Zustand zu belassen.
Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien
Einer der beliebtesten Ersatzstoffe für Lithium-Ionen-Batterien sind AGM-Blei-Säure-Batterien. Da diese Art von Batterien hervorragend mit Stößen und Neigungen zurechtkommt, werden sie am häufigsten in Autos und Elektrofahrzeugen eingebaut. Die AGM-Technologie bietet auch eine Widerstandsfähigkeit gegen niedrige Temperaturen, weshalb Blei-Säure-Batterien besonders für den Einsatz in gemäßigtem und kühlerem Klima empfohlen werden.
