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Lithium-Ionen-Batterien sind überall: Sie stecken in jedem Smartphone, Tablet und Notebook und liefern auch Elektroautos und E-Bikes ihren Strom. Doch wie funktionieren sie eigentlich?
Aufbau der Lithium-Ionen-Batterie
In einem Lithium-Ionen-Akku stecken viele kleine Batteriezellen. Jede Zelle besteht zunächst aus zwei leitfähigen Schichten aus Aluminium bzw. Kupfer. Dazwischen befinden sich Kathode und Anode, die beiden Elektroden der Batterie. Die Kathode ist der Pluspol der Batterie und besteht aus Lithium-Metalloxid. Die Anode, der Minuspol der Batterie, besteht aus Graphit.
Die Ladungsträger in der Batterie sind Lithium-Ionen, die sich zwischen Kathode und Anode hin und her bewegen. Damit das möglich ist, befindet sich zwischen den beiden Polen eine Flüssigkeit, der Elektrolyt. Er besteht aus einem organischen Lösungsmittel und einem Leitsalz. Dieser Elektrolyt muss sehr rein und wasserfrei sein, damit das Laden und Entladen ungestört ablaufen kann. Damit es in der Batterie keinen Kurzschluss gibt, trennt ein Separator die beiden Elektroden voneinander. Das ist eine dünne Membran, die nur die Ionen durchlässt.
Laden und Entladen
Beim Laden wird von außen Spannung an die Batterie gelegt, wodurch in der Anode ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen entsteht. Der Kathode wiederum werden Elektronen entzogen, und die positiv geladenen Lithium-Ionen wandern deshalb von der Kathode in die Anode. Dort verbinden sie sich wieder mit einem überschüssigen Elektron und lagern sich – dann wieder als neutrales Teilchen – in der schichtartigen Struktur des Graphits ein. Dann ist die Batterie geladen.
Beim Entladen, also beispielsweise während man mit dem Elektroauto fährt oder das Smartphone nutzt, läuft dieser Vorgang umgekehrt ab: Die Lithium-Ionen wandern dann durch den Elektrolyt zurück in die Kathode und die gespeicherte Energie wird wieder frei.
Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie
Diesen Prozess kann man nicht endlos wiederholen, und deshalb altern Akkus nach einiger Zeit. Nach vielen Ladezyklen verändert sich die kristalline Struktur der Lithiumschicht, weshalb immer immer weniger Lithium-Ionen aktiviert werden können. Deshalb verlieren die Akkus mit der Zeit ihre Leistungsfähigkeit. Ihre Lebensdauer und Leistung hängen davon ab, wie gleichmäßig und rein die chemische Zusammensetzung der Elektroden und des Elektroyts ist.