Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

(Motorsport-Total.com/Motor1) - Ob Tesla Model S Plaid oder Renault Zoe: Jedes aktuelle Elektroautoauto hat eine Lithium-Ionen-Batterie. Oder korrekter: einen Lithium-Ionen-Akku, denn nur Akkus sind aufladbar. Aber wie funktioniert so ein Ding eigentlich? Wir erklären die Basics.

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So funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku Zoom

Einen guten Einstieg in das Thema gibt schon mal das oben gezeigte Video der ZDF-Sendung Terra X. Ein klein wenig genauer erklären wir das Ganze hier. Ein Lithium-Ionen-Akku besteht im Prinzip aus vier Komponenten: einer Anode, einer Kathode, dem Elektrolyten und dem Separator. Die Anode besteht normalerweise aus Graphit. Diese Kohlenstoff-Modifikation hat den Vorteil, dass sie mit Lithium so genannte Interkalationsverbindungen bildet.

Eine solche Verbindung kann man sich so vorstellen wie ein Regal, in das Bücher gestellt werden. In dieser Vorstellung sind die Lithium-Atome die Bücher. Der Abstand der Regalbretter (den Kohlenstoffschichten im Graphit) ändert sich bei der Einlagerung nicht oder nur wenig. Das Graphit kann Lithium also leicht aufnehmen und auch wieder abgeben, ohne dass Volumenänderungen eintreten (die zu Materialspannungen führen könnten).

Die chemischen Reaktionen innerhalb des Akkus

Die Kathode besteht in der Regel aus einem Mischoxid, also einer Sauerstoffverbindung, an der neben Lithium auch noch andere Metalle wie Nickel, Mangan oder Cobalt beteiligt sind (zum Beispiel LixMnyOz oder LiyCoyOz).

Der flüssige Elektrolyt (Festkörperbatterien mit festen Elektrolyten sind noch nicht Stand der Technik) erlaubt vor allem eine Wanderung der Lithium-Ionen, während der Separator vor allem einen elektrischen Kontakt zwischen Anode und Kathode verhindert, der einen Kurzschluss zur Folge hätte. Die Lithium-Ionen können den Separator jedoch ungehindert passieren.

Im geladenen Akku liegen Lithiumatom zwischen den Kohlenstoffschichten des Graphits - das ist die erwähnte Interkalationsverbindung. Beim Entladen des Akkus (also wenn das E-Auto fährt) gibt das Lithium ein Elektron ab, das über die elektrische Leitung in Richtung Kathode abfließt.

Durch den Ladevorgang wird der Prozess umgekehrt

Auf dem Weg wird das Elektron im Motor für den Antrieb des Elektroautos genutzt. Aus dem Lithium-Atom ist durch das Abwandern des Elektrons ein positiv geladenes Lithium-Ion (Li+) entstanden, das durch den Elektrolyten zur Kathode wandert (oben rot eingezeichnet).

An der Kathode treffen dann ein Li+ und ein Elektron (e-) ein. Das Elektron vereinigt sich nun aber nicht mit dem Lithium-Ion, sondern mit einem der anderen Metall-Ionen, zum Beispiel mit einem Mangan-Kation, dessen Ladung sich dadurch verringert. Bei einer Lithium-Manganat-Kathode zum Beispiel wird aus vierfach positiv geladenem Mangan (Mn4+) ein dreifach positiv geladenes Mangan-Ion (Mn3+).

Beim Laden kehrt sich der Prozess um: Das Ladegerät pumpt Elektronen von der Kathode zur Anode. Diese Elektronen werden dem Mischoxid entnommen. Bei unserer Lithium-Manganat-Kathode gibt also das Mangan wieder ein Elektron ab:

In der Kathode entsteht also aus Mn3+ wieder Mn4+ und das Elektron wandert zur Anode. Parallel bewegt sich das Lithium-Kation durch den Elektrolyten zum anderen Pol und vereinigt sich dort mit dem Elektron zum ungeladenen Lithium. Damit ist wieder der Ausgangszustand erreicht.

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