Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus bieten spezielle Eigenschaften, die sie bei der heutigen Energieversorgung mobiler Geräte unabkömmlich machen. Sie weisen bei einer geringen Baugröße eine sehr hohe Energiedichte auf, sind thermisch stabil und leiden nur zu sehr geringen Anteilen unter dem bei herkömmlichen Akkus weit verbreiteten Memory Effekt. Lithium-Ionen-Akkus werden von zahlreichen Herstellern in vielen verschiedenen Varianten gebaut. Kenndaten wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit oder der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom variieren dabei bauartbedingt stark und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyt abhängig. Aus diesem Grund ist die Angabe des Subtyps (z. B. "Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator") informativer als die Angabe des Oberbegriffs "Lithium-Ionen-Akkumulator".
Funktionsprinzip
Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer negativen Grafit-Elektrode und einer positiven Lithium-Metalloxyd-Elektrode. Das dabei eingesetzte Metalloxyd kann Mangan, Nickel oder Kobalt sein. Je nach Hersteller oder Variante sind die Eigenschaften und Güteklassen der Akkus unterschiedlich. Die Nennspannung von Li-Ionen-Zellen ist abhängig vom Elektrodenmaterial und liegt bei 3,6 oder 3,7 Volt.
Die Zellen liegen wasserfrei vor, da Lithium sehr stark mit Wasser reagiert. So kann es bei Beschädigung und eventuellem Wassereintritt zu heftigen Reaktionen kommen, etwa Verpuffung oder sogar Brand.
Die beiden Elektroden werden, um einen Kurzschluss zu verhindern, durch einen Separator getrennt. Dieser ist für die Lithium-Ionen durchlässig und wirkt im übertragenden Sinne wie ein Schwamm, der die Ionen aufnehmen und abgeben kann. So entsteht eine Energiedichte von bis zu 180 Wh/kg.
Entwicklungsgeschichte
Bereits in den 1970er Jahren wurde an der Technischen Universität München am grundlegenden Funktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie geforscht. Die technische Anwendbarkeit der Technologie wurde damals jedoch nicht erkannt oder weiter verfolgt.
Die erste verfügbare Elektrodenchemie des frühen Lithium-Ionen-Akkus war der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO2-Akku genannt. Die Brauchbarkeit von Lithium-Cobalt(III)-Oxid als Elektrodenmaterial wurde erstmals 1980 von der Forschergruppe um John B. Goodenough an der University of Oxford entdeckt.
1989 folgte das erste, in Deutschland angemeldete Patent für einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Dieser Akku wurde in vielen Versuchsreihen getestet und als einsatzfähig erklärt, doch hatte die deutsche Industrie damals noch keinen Verwendungszweck hierfür.
Erst 1991 brachte Sony den ersten kommerziell nutzbaren Lithium-Ionen-Akku auf den Markt, dieser speiste Sonys Hi8-Videokamera CCD TR 1. Die Batterie besaß mit zwei seriell verschalteten Zellen eine Zellspannung von 7,2 V und eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Bis heute werden Akkumulatoren dieser Bauform mit Kapazitäten bis 6900 mAh angeboten und in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt.
Einsatzmöglichkeiten, Anwendungsbereiche
Die Anwendungsbereiche von Lithium-Ionen-Akkus sind nahezu grenzenlos. Heutzutage sind Lithium-Ionen-Akkus in beinahe jedem Gerät verbaut, das einen hohen Energiebedarf aber geringe Konstruktionsmaße aufweist. Dazu zählen Mobilgeräte, für die herkömmliche Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder groß sind, beispielsweise Mobiltelefone, Notebooks, Tablets, Akku-Schrauber oder Digitalkameras. Aufgrund ihrer Verschaltbarkeit sind sie in der Automobilbranche beliebt, da viele kleine Akkus zu einem großen Energiespeicher zusammengesetzt werden und platzsparend im Fahrzeuginnenraum verbaut werden können. So finden sie Verwendung in Elektroautos, Sagways oder Pedelecs.
Bei Photovoltaikanlagen hat sich der Lithium-Ionen-Akku aufgrund seiner kompakten Bauform und Zyklenzahl bewährt. Der Akku hat eine Lebensdauer von ca. 6000 Zyklen. Das entspricht einer Betriebszeit von ca. 20 Jahren und somit der einer durchschnittlichen PV-Anlage.
Stromspeicher Systeme im Überblick
Klassifizierungen von Stromspeichern
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