Lithium Ionen Akku

Powerstationen wie unsere mobile Starthilfegeräte, Powerbanks und Co. haben ihn alle verbaut:

den Lithium Ionen Akku

Die (Weiter-) Entwicklung des Akkus: Historie und Zukunft.

Was war vor der Lithium Ionen Technik und was bringt die Zukunft?

Der Markt ist von Kleinstgeräten wie z. B. dem Smartphone, den mobilen Powerbanks, den mobilen Starthilfen und dem Ladegerät geprägt und der Trend geht ganz klar zur Miniaturisierung. Jedoch steigt der Energiebedarf solcher Systeme ebenfalls. Das Zauberwort hierfür heißt eindeutig: Lithium Ionen Technik.
Doch welche Akkus gab es eigentlich vor dieser Technik?
Begonnen hat alles während der französischen Revolution mit dem Froschschenkel-Experiment des Italieners Galvini. Die erste Batterie, eine sogenannte Voltasäule konstruierte Galvini’s Landsmann Volta. Die deutschen Carl Gassner und Paul Schmitt entwickelten 1887 erstmals eine Trockenbatterie bis hin zur Serienproduktion.
1899 erfand Waldemar Jungner den heute bekannten Nickel-Cadium-Akkumulator.

Mittlerweile sind Alkali-Mangan (=AlMn), Zink-Kohle (=ZnC) und allen voran der 1991 erschienene Li-Ion Akku (=Lithium Ionen) am häufigsten auf dem Markt zu finden. Der erste Lithium Ionen Akku wurde damals in der Hi8-Videokamera CCD TR 1 verbaut. Die Batterie damals besaß eine Kapazität von ca. 1200 mAh.

Ein Lithium Ionen Akku ist ein elektrochemischer Akkumulator.

Bildquelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cc/Li-Ion-Zelle_(CoO2-Carbon,_Schema).svg/2000px-Li-Ion-Zelle_(CoO2-Carbon,_Schema).svg.png

Solch eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer Grafit-Elektrode (negativ) (hier im Bild schwarz) und einer Lithium-Metalloxyd-Elektrode (positiv) (hier im Bild pink). Das Lithium-Metalloxyd (hier im Bild gelb) kann aus Mangan, Nickel oder Kobalt sein. Die Zusammensetzung hat Einfluss auf die Eigenschaften des Lithium-Ionen-Akkus.
Außerdem ist anzumerken, dass Lithium das leichteste Metall ist. Auch hat es eine sehr starke Reaktion mit Wasser. Deshalb kommt als Elektrolyt (grauer Kasten im obigen Bild) ausschließlich ein wasserfreies Lösungsmittel in Frage.
Es erfolgt eine Trennung der Elektroden durch einen Separator, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern. Für die Lithium Ionen ist dieser Separator jedoch einfach zu durchdringen. Die Kathode (=+) fungiert wie ein Schwamm. Dadurch kann eine große Anzahl an Ionen aufgenommen werden.
Die Lithium Ionen Akkus haben sich durch folgende Merkmale von den bisherigen Akkus abgesetzt:
- kein Memoryeffekt
- sehr geringe Selbstentladung bei Lagerung
- hohe Energiedichte im Gegensatz zu anderen Akkutypen (ca. das 3-4 fache an Energie speichern wie bspw. ein gleich großer Nickel-Cadmium (=NiCd) Akku und ca. doppelt so viel wie ein Nickel-Metallhydrid (=NiMH) Akku)
- lange Lebensdauer der Akkus
Folgende Ausführungsformen des Lithium Ionen Ladegerät sind mittlerweile vorzufinden:
- Lithium-Polymer-Akkumulator
- Lithiumtitanat-Akkumulator
- Lithium-Mangan-Akkumulator
- Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator
- Lithium-Luft-Akkumulator
- Dual-Carbon-Akkumulator

Lithium Ionen-Akkus fanden zu Beginn hauptsächlich Anwendung bei tragbaren Geräten mit hohem Energiebedarf, beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Konsolen oder Taschenlampen.
Heutzutage sind die Lithium Ionen Akkus in fast allen Bereichen zu Hause. Sie dienen bei der Elektromobilität als Ladestation, Batterieladegerät oder als Energiespeicher für bspw. Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridfahrzeuge.
Für die Zukunft sehen Experten großes Potential für die Lithium Ionen Technik.
Zukünftige Katoden sollen eine Verdoppelung der Speicherkapazität bieten.
Das macht mobile Powerbanks, mobile Starthilfegeräte, Batterieladegeräte, Ladestationen und mobile Ladegeräte noch attraktiver und leistungsfähiger.

Auch über einen Materialwechsel, um den Speicher zu erhöhen, wird bereits nachgedacht. So steht zur Diskussion, ob ein Wechsel von Graphit zu Silizium bei den Anoden durchgeführt werden soll.
Ebenfalls gibt es die Ideen der Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, sowie die der Lithium-Luft-Batterien. Solche "atmenden" Batterien haben einen enormen Vorteil was das Gewicht betrifft gegenüber anderen Akkus. Theoretisch kann eine solche Lithium-Sauerstoff-Batterie (=Li-O) ähnliche Energiedichte wie das all bekannte und weit verbreitete Benzin erreichen. Wenn diese Idee ausgereift ist, wäre es sicher, dass solch ein Akku die heutigen Akkus für Elektrofahrzeuge mehr als zehnfach übertreffen würde.
Auch mittlerweile nicht mehr unbekannt sind die Lithium Eisen Phosphat Akkus (=LiFePO Akku). Dieser ist eng verwandt mit dem Lithium Ionen Akku. Der Hauptunterschied der Beiden liegt in der Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die Kathode des Akkus. Bei LI Ion Akku wird standartmäßig Lithium-Cobaltdioxid(=LiCoO2) verwendet. Der Lithium Eisen Phosphat Akku (=LiFePO4) nutzt hingegen LiFePO4 und kann dadurch einen wesentlich höheren Anteil des verwendeten Lithiums verwenden. Auch dieser Akku ist in bspw. Ladegeräten verbaut.
Auch nicht außen vor zu lassen ist das US-Unternehmen Tesla Motors, gegründet von Martin Eberhard und Marc Tarpenning im Jahr 2003, ein auf Elektroautos spezialisiertes Unternehmen. Zum Einstieg entwickelte Tesla einen Wechselstrom-Induktionsmotor auf den Antriebsstrang eines Sportwagens. Mittlerweile haben auch sie ihr Hauptaugenmerk auf die Lithium Ionen Technik gelegt und können damit große Erfolge einfahren. Eine Reise auf der Autobahn mit leichtem Überschreiten der Richtgeschwindigkeit, hier sind ca. 300 Kilometer Reichweite für ein Auto mit einer Lithium Ionen Batterie drin. Bei einer Fahrt im Stadtverkehr sind sogar Strecken von fast 400 Kilometern ohne Ladepause möglich.

Dies wird für die Forschung und Prototypen zwar noch ein langer Weg, die Experten sind sich jedoch sicher: Elektroautos, welche mittlerweile ebenfalls Lithium Ionen verbaut haben, werden in einigen Jahren leistungsfähiger sein und vor allem kostengünstiger als ein PKW mit Verbrennungsmotor.
Auch in Sachen mobile Powerbank, mobile Starthilfegeräte und Batterieladegeräte wird sich in Zukunft noch so einiges verändern. Es bleibt also spannend, was sich die Genies der Branche noch so alles einfallen lassen.

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