Vom Notebook über den Rasenmäher bis hin zum E-Bike oder E-Auto liefern Akkus auf Lithium-Ionen Basis heutzutage Energie für unzählige Anwendungen des Alltags. Auch wenn sich die verschiedenen Modelle hinsichtlich ihrer Größe oder Leistung teilweise deutlich unterscheiden, ähneln sich alle Lithium-Ionen Batterien in der Funktionsweise und im Aufbau. In diesem Artikel erfahrt Ihr, aus welchen Komponenten dieser Akkutyp besteht und wie er die Energie für Eure Anwendungen bereitstellt.
Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen Akkus liefern Energie über physikalisch-chemische Prozesse, die in einer Zelle ablaufen. Eine solche Zelle bildet – meist in einem Zellverbund – das Grundelement jedes Lithium-Ionen Akkus. Sie umfasst im Wesentlichen vier Komponenten: eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten und einen Separator. Dazu kommen die beweglichen Lithium-Ionen, die dem Akku seinen Namen verleihen.
Während die negative Elektrode fast immer aus Grafit besteht, kommen bei der positiven Elektrode verschiedene Metalloxide als sogenannte Übergangsmetalle zum Einsatz. Die beiden ortsfesten Elektroden sind durch eine Folie oder ein Vlies voneinander getrennt. Dieser Separator soll einen Kontakt der Elektroden und daraus resultierende Kurzschlüsse verhindern.
Beide Elektroden liegen gemeinsam in einem Elektrolyten. Dabei handelt es sich in der Regel um eine wasserfreie Lösung mit speziellen Salzen. Die Lithium-Ionen können den Separator durchdringen und sich in dieser Lösung zwischen den Elektroden hin- und herbewegen. Mit der Außenwelt sind die Elektroden über externe Leiter verbunden. Auf der negativen Seite kommt dafür üblicherweise eine Folie aus Kupfer und auf der positiven Seite eine Aluminiumfolie zum Einsatz.
Vielfalt bei den Materialien im Akku
Obwohl grundsätzlich jede Lithium-Ionen Batterie diesem Aufbau folgt, weichen verschiedene Akkumodelle bei den verwendeten Materialien voneinander ab. So wird Lithium bei der positiven Elektrode mit unterschiedlichen Übergangsmetallen kombiniert, welche die Energiedichte und andere Eigenschaften des Akkus beeinflussen.
E-Autos verwenden beispielsweise häufig sogenannte NMC-Akkus mit Mischoxiden aus Lithium, Nickel, Mangan und Cobalt. NMA- oder NCA-Akkus setzen hingegen auf Aluminium. Zweier-Verbindungen aus Lithium und Oxiden von Cobalt oder Mangan sowie die Kombination von Lithium und Eisenphosphat sind ebenfalls möglich. An der negativen Elektrode kommt gelegentlich statt Grafit das Material Lithiumtitanspinell zum Einsatz, welches auch Lithiumtitanat genannt wird. Lithium-Polymer Akkus, bei denen der ursprüngliche Lithium-Ionen Akku im Aufbau weiter optimiert wurde, weisen noch eine andere Besonderheit auf. Hier ist der Elektrolyt in fester oder gelartiger Form in eine Polymerfolie integriert. Diese Konstruktion erlaubt eine besonders flache Bauweise, die sich gut für kleinere Geräte, wie z.B. Smartphones oder Wearables, eignet.
Der Lithium-Ionen Akku in seiner Funktionsweise
Die Elektroden und die Lithium-Ionen arbeiten beim Laden des Akkus und bei seiner Nutzung auf unterschiedliche Art und Weise.
Zum Laden legt das Ladegerät eine Spannung an die Zellen des Lithium-Ionen Akkus an. Während der negativen Elektrode auf diesem Weg Elektronen zugeführt werden, entsteht an der positiven Elektrode ein Elektronenmangel. Unter diesen Bedingungen wandern nun Lithium-Ionen von der positiven Elektrode durch den Elektrolyten in das Grafitgitter der negativen Elektrode. Sie lagern sich dort ein und bilden mit dem Grafit eine sogenannte Interkalationsverbindung. Auf diese Weise speichert der Akku die Energie.
Beim Entladen, also bei der Nutzung in einem Gerät, gibt der Akku die gespeicherte Energie wieder frei. In diesem Fall fließen Elektronen über den externen Stromkreis aus dem Grafitgitter von der negativen Elektrode ab. An der positiven Elektrode nehmen die Übergangsmetalle Elektronen auf. Gleichzeitig bewegen sich Lithium-Ionen aus dem Grafitgitter durch den Elektrolyten zur positiven Elektrode.
Lithium-Ionen Akkus mit BMS
Das physikalisch-chemische System aus Elektroden, Elektrolyt, Lithium-Ionen und Separator reagiert sehr empfindlich auf äußere Einflüsse wie Überladung, Tiefentladung, Kälte oder Hitze. Daher sind die meisten Lithium-Ionen Akkus mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet. Diese auf einer Platine verbaute Elektronik überwacht permanent verschiedene Akkuparameter. Beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte kann sie regulierend eingreifen und so den Akku schützen.
In der Regel besteht ein Lithium-Ionen Akku aus zahlreichen Einzelzellen, welche oft unterschiedliche Werte bei Parametern, wie bspw. der Spannung, aufweisen. Daher arbeitet das BMS häufig auf Einzelzellebene. Neben der Überwachungsfunktion übernehmen viele Systeme dann auch das sogenannte Balancing. Sind einzelne Zellen beim Ladevorgang schon stärker aufgeladen, kann der Lithium-Ionen Akku mit dem BMS über ein passives Balancing den Ladestrom für diese Zellen reduzieren. Unterstützt die Elektronik auch aktives Balancing, lässt sich damit sogar Energie von einer Zelle auf eine andere übertragen.
Über eine Schnittstelle gibt das BMS Informationen zum Akku auch nach außen weiter. So dient die Elektronik beispielsweise als Ausgangspunkt für die Anzeige des Ladezustands am Gerät.
Lithium-Ionen Batterien für unterschiedlichste Anwendungen
Für den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen sind Lithium-Ionen Zellen in verschiedenen Größen und Formaten erhältlich. Typischerweise haben diese Einzelzellen einen zylinderförmigen Aufbau. Steht nur wenig Platz zur Verfügung, kommen oft auch sogenannte Pouch-Zellen in flachem, taschenartigem Format zum Einsatz.
Einzellige Akkus finden sich jedoch in der Regel nur bei Anwendungen mit geringem Energiebedarf. Meist werden in einem Lithium-Ionen Akku mehrere Zellen verschaltet und gemeinsam in einem Gehäuse verbaut. Bei einer Reihenschaltung addiert sich so die in Volt (V) gemessene Spannung der Einzelzellen. Bei gleichbleibender Kapazität, die in Amperestunden (Ah) angegeben wird, erhöht sich so die Leistung des Akkus. Das zeigt sich dann an einem höheren Wert in Wattstunden (Wh). Durch Parallelschaltung von Zellen steigt hingegen die Kapazität des Akkus und somit üblicherweise auch dessen Laufzeit. Beide Schaltvarianten können auch miteinander kombiniert werden.
Mit wachsenden Anforderungen an Leistung und Ausdauer nimmt so die Anzahl der Zellen und damit häufig auch die Größe eines Akkus zu. So bestehen beispielsweise Lithium-Ionen Akkus für Notebooks meist aus 3 bis 6 Einzelzellen. Bei kleinere Gartengeräten, z.B. Akku-Heckenscheren oder Rasentrimmern auf 18V Basis, werden in der Regel 5 bis 10 Zellen verbaut. Bei größeren Geräten, z.B. Akku-Rasenmähern, sind es oft bereits zwischen 10 und 20 und bei einem E-Bike mitunter schon 50 Zellen oder mehr. Ein E-Auto verwendet für seinen Antrieb schließlich Hunderte oder gar Tausende von Einzelzellen.
