Chemie

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Zuletzt aktualisiert: 07. November 2023

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Name: Finn Weber, 2023-02

Zur Geschichte von Lithium-lonen-Akkus

Der Erfinder des modernen Lithium-Ionen-Akkus ist Akira Yoshino.

Aufbau des Lithium-lonen-Akkus

Ein Lithium-Ionen-Akku ist eine elektrochemische Spannungsquelle und Energiespeicher auf Basis von Lithium.
Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus mehreren Zellen in denen sich zwei Elektroden in einem Elektrolyt befinden.

Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus einer Zelle mit zwei Elektroden. Diese Elektroden sind im Elektrolyt gelagert und durch einen Separator getrennt. Es gibt viele Arten der Lithium-Ionen-Akkus.

Die positive Elektrode besteht aus einem Lithium-Metalloxid und die negative Elektrode meist aus Graphit.

Damit sich die Lithium-Ionen als Ladungsträger in der Zelle bewegen können ist ein wasserfreies Elektrolyt in der Zelle vorhanden. Dieses besteht meist aus Salzen wie Lithium-Hexafluorophosphat, das in einem Lösungsmittel gelöst ist (Elektronen können nicht durch das Elektrolyt fließen). Zur Abtrennung der beiden Elektroden, also um Kurzschlüsse zu vermeiden wird ein Separator aus Vliesstoffen oder polymeren Folien zwischen die beiden Elektroden gesetzt.

Bei dem häufigstem Typ besteht die positive Elektrode, die Kathode, aus Lithiumcobaltoxid. Vereinfacht kann man es ich als eine Schichtung von Cobalt vorstellen, wobei zwischen den einzelnen Schichten Lithiumatome sitzen.

Die negative Elektrode, die Anode, besteht aus einer Graphit -Schichtung. Beim Aufladen wird zwischen Kathode und Anode eine Spannung angelegt. Diese „entzieht" dem Lithium mit dem Pluspol Elektronen. Diese fließen als Strom über ein Kabel zur Anode. Die so entstehenden positiv geladenen Lithiumionen wandern durch den Seperator, der nur für Lithiumionen permeabel ist, zur negativen Anode. Dort setzen sie sich in die Graphit -Schichtung und nehmen wieder Elektronen auf.
Jetzt ist der Akku geladen.

Beim Entladen funktioniert das ganze umgekehrt. Die Lithiumatome geben die Elektronen ab, die als Strom „verfügbar" sind. Die Lithiumionen wandern durch den Seperator zur
Kathode und nehmen in der Schichtung wieder Elektronen auf. Befinden sich alle Lithiumionen an der Kathode, ist der Akku vollständig entladen.
Das System funktioniert, weil Lithiumatome eine Neigung zur Abgabe von Elektronen haben.

Funktion des Lithiumionenakkus

Wenn eine Ladung mit einem Kabel zwischen der positiven und negativen Elektrode angeschlossen wird, wird der negativen Elektrode Elektronen entzogen. Diese „wandern" dann über das Kabel zur positiven Elektrode.
Die Elektronen, die der negativen Elektrode entzogen wurden, werden den Lithium-Ionen, die im Graphit gespeichert waren, entzogen. Und „wandern" zur positiven Elektrode.
Durch diesen Elektronenentzug werden die Lithium-Ionen positiv geladen und „wandern" durch den Seperator und durch das Elektrolyt zur positiven Elektrode, da dort jetzt die Elektronen sind und diese ja negativ geladen sind (positiv und negativ geladen zieht sich an).
An der positiven Elektrode angekommen, nehmen die Lithium-Ionen (positiv Geladen) die Elektronen wieder auf und werden dadurch wieder ungeladen.
Die Elektronen wandern von der negativen zur positiven Elektrode aufgrund der unterschiedlichen Stellungen der Elektroden-Materialien in der Spannungsreihe. Das Lithium hat nur ein Elektron in der Außenschale, was „gerne“ abgegeben wird.
Beim Aufladen ist der ganze Prozess wieder umgekehrt, man muss dafür nur eine Gleichspannung zwischen den beiden Elektroden anlegen.