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Lithium-Ionen-Akkus: Die Entwicklung eines technischen Wunders

Lithium-Ionen-Akkus: Die Entwicklung eines technischen Wunders
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Sie befinden sich in nahezu jedem Smartphone, Notebook, in jeder Fernbedienung oder seit einigen Jahren als Antrieb im Elektroauto: Lithium-Ionen-Akkus.

Leistungsfähig, klein und langlebig wie sie sind, erweisen sie uns seit den frühen 1990er Jahren gute Dienste. Ihr Erfinder? Der Physiker John B. Goodenough. Selbst hoch betagt gelang ihm nun ein weiterer bahnbrechender Erfolg mit der lithiumbasierten Technologie.

Dem Erfinder des Lithium-Akkus gelingt ein neuer Coup

Fast 40 Jahre ist es nun her, dass der amerikanische Physiker John B. Goodenough mit seinem Team an der University of Oxford den ersten funktionierenden Lithium-Ionen-Akku fertigte. Doch statt es als seine größte Errungenschaft zu verbuchen und sich zur Ruhe zu setzen, hat sich der inzwischen 94-jährige Wissenschaftler weiter mit der Technologie auseinandergesetzt und einen neuen Durchbruch erzielt: die Lithium-Ionen-Zelle.

Die von ihm geleitete Forschungsgruppe an der University of Texas  setzt anstatt flüssiger Elektrolyte jetzt einen Feststoff ein, der die Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode hin und her bewegt. Dieser Feststoff kann zum Beispiel Natrium sein. Dadurch erhöht sich die Energiedichte deutlich und die Zelle kann auf gleichem Raum weitaus mehr elektrische Ladung speichern.

Von der neuen Entwicklung werden wohl ganze Industriezweige profitieren. Allen voran die Elektroautomobil-Industrie, die dadurch Autos mit größeren Reichweite bauen kann. Weiterhin würde sich auch die Laufzeit von Smartphone- und Notebook-Akkus deutlich verlängern, was für viele Nutzer eine sehr erfreuliche Nachricht ist.

Wer nun denkt, dass mehr Leistung auch automatisch höhere Anschaffungskosten bedeutet, irrt. Denn der Preis im Vergleich zum herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku wird aller Voraussicht nach gleich bleiben oder gar sinken. Da das Natrium, was als Leiter in Form eines Feststoffs fungiert, im Grunde simples Salz ist, was auf der Erde weitaus öfter vorkommt als Lithium, würden die Produktionskosten rapide sinken.

Bevor aber letztendlich Elektrofachmärkte den Akku in ihrem Sortiment führen: die Lithium-Ionen-Zelle wurde erst kürzlich patentiert. Obwohl schon als funktionsfähig bewiesen, wird es noch eine unbestimmte Zeit dauern, eh die Zelle tatsächlich in elektronischen Geräten verbaut werden oder mit der gleichen Selbstverständlichkeit zu erwerben sein wird wie derzeit noch der Lithium-Ionen-Akku.

Der Lithium-Ionen-Akku: ein kurzer historischer Abriss

Um zu verstehen, was den Lithium-Ionen-Akku so revolutionär macht, begeben wir uns zurück zu den Anfängen. Die Geschichte des Akkus beginnt im München der 1970er Jahre. An der dort ansässigen Technischen Universität wurde von einem Forscherteam die Funktionsweise von Lithium-Batterien untersucht und somit die Basis für die Entwicklung des Lithium-Akkus gelegt. Nach der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse verging einige Zeit, bis etwa 10 Jahre später zu Beginn der 1980er Jahre der erste funktionierende Lithium-Cobaltdioxid-Akku an der University of Oxford entwickelt wurde. John B. Goodenough, heute als der Vater der Lithium-Technologie gesehen, leitete damals das erfolgreiche Team.

Das Projekt Lithium-Ionen-Technologie ruhte daraufhin erneut, da von kommerzieller Seite keine Nachfrage bestand. Die Forschung war vorerst abgeschlossen, aber der Markt war sich noch nicht im Klaren darüber, welche enormen Möglichkeiten sich durch die Verwendung des Lithium-Ionen-Akkus ergeben würden.

Der erste Lithium-Ionen-Akku auf dem deutschen Markt wurde im Jahr 1991 in der Videokamera  CCD TR1 der japanischen Marke Sony eingesetzt. Der Akku hatte damals eine Leistung von 1.200mAh. Zum Vergleich: Heutige Geräte verfügen bis zu 6.900mAh.

Wofür wird der Lithium-Ionen-Akku derzeit verwendet?

Gegenwärtig wird der Lithium-Ionen-Akku in einer Vielzahl mobiler Endgeräte verwendet und ist dadurch den meisten Nutzern bekannt. Er ist ein fester Bestandteil in Smartphones, Tablets, Kameras, Notebooks und Laptops.  Darüber hinaus befinden sich Lithium-Akkus in den portablen Stromspeichern, sogenannte Powerbanks. Der kleine Energielieferant eignet sich des Weiteren auch für andere Technologien wie zum Beispiel in der Elektromobil-Branche, wo er in Elektroautos, Hybridfahrzeugen und Elektrorollstühlen verbaut wird. Auch elektronisch betriebene Werkzeuge wie Akkuschrauber profitieren von der Leistungsfähigkeit des Lithium-Ionen-Akkus.

Die Vorteile eines Lithium-Ionen-Akkus gegenüber anderen Akkus

  • hohe Energiedichte und daher große Leistungsfähigkeit
  • handliche Größe, geringes Gewicht
  • enthält nicht die giftigen Substanzen Blei, Quecksilber oder Cadmium
  • kein Memory-Effekt: Anzahl der Ladezyklen und der Ladezustand ist für Haltbarkeit des Akkus unerheblich
  • gute Beständigkeit bei hohen und niedrigen Temperaturen.

Umwelt und Nachhaltigkeit:

Der Einsatz von Lithium-Akkus in Photovoltaikanlagen:
Zur effektiven Stromspeicherung werden auch in Photovoltaikanlagen seit einiger Zeit Lithium-Ionen-Akkus verwendet. Im Vergleich zum bisherigen Bleiakku verfügen sie über eine höhere Energiedichte, gepaart mit einem geringen Eigengewicht. Auch der fehlende Memory-Effekt ist hier von Vorteil.

Einrichtung des Stromspeichers | © IBC Solar

Der Lithium-Ionen-Akku ist zwar für eine Photovoltaikanlage kostenintensiver in der Anschaffung, übersteht aber unversehrt eine höhere Anzahl an Ladezyklen als der Bleiakku.

Die Lithium-Ionen-Akkus verfügen außerdem in vielen Fällen über ein Batterie-Management-System, durch das Tiefentladung und Überhitzung vermieden wird. Dadurch ist eine lange Funktionsfähigkeit der Akkus gewährleistet.

Besonders hervorzuheben in Zusammenhang mit der Langlebigkeit ist die immense Leistungsfähigkeit des Akkus: ein Lithium-Ionen-Akku in einer Photovoltaikanlage kann produzierten Strom bis zu 20 Jahre lang speichern. Das kommt sowohl Ihren Energiekosten als auch dem Umweltschutz zugute und gleicht auf Dauer die höheren Anschaffungskosten aus.

Wirkungsgrade moderner Stromspeicher | © Energieheld GmbH

Wie sieht die Zukunft der Lithium-Ionen-Akkus aus?

Der Siegeszug des Lithium-Akkus ist bei weitem noch nicht beendet. Nachdem der Akku im Verlauf der letzten Jahre leistungsfähiger wurde und durch den Aufschwung in der Mobilindustrie unverzichtbar geworden ist, wird weiter daran geforscht werden. Um sich dem Puls der Zeit anzupassen, muss der Akku noch leistungsfähiger, noch kleiner, noch unfehlbarer gemacht werden.
Fakt ist, bisher ist keine Konkurrenz zum Lithium-Akku in Sicht, weshalb uns die Technologie auch in Zukunft einige Jahre begleiten wird.

Geschrieben von: Michael Steinert – Redakteur von Tobra-Promotion

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Stephan Günther

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