mini|Lithium-Ionen-Akkumulator in Flachbauweise – ca. 39,6 mm × 37,9 mm × 6,6 mm mini|Zylindrische Zelle (Type 18650, 18 mm Durchmesser, 65 mm Länge) vor dem Zusammenbau
Lithium-Ionen-Akkumulator ([]-) oder Lithium-Akkumulator (auch Lithiumionenakku, Lithiumionen-Akku, Lithiumionen-Sekundärbatterie) ist der Sammelbegriff für Akkumulatoren auf der Grundlage von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle. Die reaktiven Materialien – der negativen und der positiven Elektrode und des Elektrolyten – enthalten Lithiumionen.
Es gibt zahlreiche verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Sie unterscheiden sich nicht nur in ihrer Größe und Bauform, sondern auch in der chemischen Zusammensetzung ihrer Bestandteile und haben auch verschiedene Spannungsbereiche. Etwa zwei Jahrzehnte lang waren die meisten der auf den Markt gebrachten lithiumbasierten Akkumulatoren Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren. Heute werden vor allem die auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden beruhenden Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulatoren verkauft.
Die meisten Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine höhere spezifische Energie (Energie pro Eigenmasse) als andere Akkumulatortypen haben. Auf Tiefentladung und auf Überladung reagieren sie meist nachteilig und brauchen deshalb ein geeignetes Batteriemanagementsystem (BMS). Die Kenndaten wie Zellspannung, Temperaturempfindlichkeit, Lade- und Entladeschlussspannung und der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom schwanken bauartbedingt und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und den verwendeten Elektrolyten abhängig. Die Angabe des genauen Typs, beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator, ist aus diesem Grund informativer als die unspezifische Angabe des Oberbegriffs Lithium-Ionen-Akkumulator. Zusätzlich zu den Varianten mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien gibt es Varianten mit unterschiedlichen Elektrolyten: die Zelle kann einen flüssigen Elektrolyten enthalten oder als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein.
mini|Wie funktioniert ein Lithiumionen-Akku? Erklärvideo (1 min)
Geschichte Bereits in den 1970er Jahren wurden an der TU München das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetallionen-Interkalation in Kohlenstoff-Elektroden sowie oxidische Elektroden und deren Anwendung in Lithium-Batterien erforscht und veröffentlicht (Jürgen Otto Besenhard und andere), auch wenn damals die praktische Anwendbarkeit als Elektroden für Lithium-Batterien nicht erkannt wurde. In den 1970er Jahren fand Stanley Whittingham ein vielversprechendes Kathodenmaterial für Lithiumbatterien in Form von Titandisulfid, das in seinen atomaren Zwischenräumen Lithiumionen aufnehmen kann.Würdigung für den Nobelpreis für Chemie 2019. nobelprize.org. Mit einer Anode aus metallischem Lithium liefert eine Titandisulfid-Zelle eine Spannung von etwa 2 Volt. In der Zeit von 1977 bis 1979 wurden kleine Titandisulfid-Zellen mit einer Lithiumlegierung statt mit Lithium für Uhren verkauft.
In den späten 1970er Jahren schlug Michel Armand ein Akkumulatorkonzept vor, bei dem sowohl an der Pluspolseite als auch an der Minuspolseite strukturstabile feste Materialien verwendet werden, die Lithium aufnehmen und wieder abgeben können, d. h. Interkalationsmaterialien. Beim Laden und Entladen pendeln Lithiumionen zwischen den Elektroden hin und her; das Konzept wurde wegen der Hin- und Herbewegung „Schaukelstuhlakku“ (rocking chair battery) genannt. Bruno Scrosati baute die ersten entsprechenden Zellen und vermaß den Spannungsverlauf beim 70-maligen Laden und Entladen. Damit war das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkumulators gefunden, es fehlten aber noch die für eine Kommerzialisierung nötigen kostengünstigen, möglichst leichten Materialien mit hoher Spannung.
Die Brauchbarkeit von Lithium-Cobalt(III)-oxid als Elektrodenmaterial für die Pluspolseite (bei der Entladung Kathode) wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough beschrieben, der an der University of Oxford arbeitete. Goodenough fand das Material nach systematischer Suche, ausgehend davon, dass er ein Metalloxid mit eingelagerten Lithiumionen für vielversprechender hielt als das Metallsulfid von Whittingham. Er erreichte Zellspannungen von 4 Volt. Die erfolgreiche industrielle Umsetzung gelang zuerst 1985 in Japan durch Akira Yoshino, Chemiker bei Asahi Kasei. Er baute auf dem Kathodenkonzept von Goodenough auf und verwendete für die Anode statt des reaktiven metallischen Lithiums Graphit, das Lithiumionen aufnehmen kann. Ein Vorteil neben dem relativ geringen Gewicht von Graphit ist seine hohe Haltbarkeit, da er als Interkalationsmaterial Lithiumionen aufnimmt, ohne dass das Elektrodenmaterial durch die chemische Reaktion mit dem Lithium „aufgebrochen“ wird.
Der erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Akku war damit der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO2-Akku, der von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8-Videokamera CCD TR 1 eingesetzt wurde. Die Batterie aus zwei seriell verschalteten Zellen hatte eine Spannung von 7,2 V und eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Im Jahr 2025 werden Akkus dieser Bauform für diese (und eine größere Anzahl kompatibler Kameras von Blaupunkt, Grundig, Hitachi, JVC, Metz, Olympus und Sony) mit Kapazitäten bis 5200 mAh angeboten. Whittingham, Goodenough und Yoshino erhielten 2019 für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie den Nobelpreis für Chemie.
Die Möglichkeit, das Graphit auf der Anodenseite durch Silizium zu ersetzen, wurde lange erforscht. Bei Graphit werden sechs Kohlenstoffatome benötigt, um ein Lithiumion zu binden, während ein Siliziumatom gleich vier Lithiumionen binden kann. Die Stabilisierung des Anodenmaterials wurde in einer Reihe von Ansätzen untersucht. Mitte der 2010er investierten mehrere Autohersteller in die Weiterentwicklung. Neben der Nanostrukturierung wurde dabei zuerst die Silizium/Kohlenstoff-Komposit-Anode zur Marktreife entwickelt. Die Massenproduktion von Batterien mit diesem Anodenmaterial setzte zwischen 2022 und 2024 (Varta/Samsung/Group14)donga.com.auto-motor-und-sport.de. ein. Es wird vermutet, dass Silizium und Silizium-Komposite bis 2030 die reinen Graphit-Anoden weitgehend verdrängen werden.
Die Verwendung von Graphit und Silizium wird als Zwischenschritt zu Lithium-Metall-Anoden gesehen, die eine noch höhere Energiedichte ermöglichen. Diese werden auch für den Lithium-Schwefel-Akkumulator untersucht. Man geht für Lithium-Metall-Anoden nicht von einer Einsetzbarkeit vor 2028 aus.
Anwendung mini|Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Mobiltelefone
Lithium-Ionen-Akkus versorgten anfangs hauptsächlich tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß waren, beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen, Softairwaffen oder Taschenlampen. Mittlerweile sind sie in fast allen Bereichen anzutreffen. Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Pedelecs, Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridfahrzeuge. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI erwartete 2020, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Zellen allein für die Elektromobilität bis 2030 um den Faktor 20 bis 40 steigen wird.
Auch im RC-Modellbau haben sie sich früh etabliert. Durch ihr geringes Gewicht sind sie, in Verbindung mit bürstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern, gut als Antriebseinheit im Flugmodellbau geeignet. Seit 2003 gibt es Lithium-Ionen-Akkus in Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und in Gartengeräten. In der Boeing 787 werden Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren (LiCoO2) verwendet. Sie erhielten nach mehreren Bränden nachträglich eine Stahlummantelung. Andere Flugzeuge sind (2012) mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus ausgerüstet. Lithium-Ionen-Batterie-Systeme werden auch in Batteriespeichern eingesetzt.
Prinzip mini|Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle (positive Elektrode: LiCoO2; negative Elektrode: Li-Graphit)
Im geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess mit Stoffänderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt. Im Akkumulator können Lithiumionen (Li+) frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern, wovon sich der Name des Akkus ableitet. Im Gegensatz zu den Lithiumionen sind die Übergangsmetall- und Graphit-Strukturen der Elektroden ortsfest und durch einen Separator vor einem direkten Kontakt geschützt. Die Mobilität der Lithiumionen ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.
Die negative Elektrode ist eine Graphit-Interkalationsverbindung mit der allgemeinen Zusammensetzung LixCn, wobei Lithium als Kation vorliegt. Beim Entladen gibt die Interkalationsverbindung Elektronen ab, die über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Gleichzeitig wandern gleich viele Li+-Ionen aus der Interkalationsverbindung durch den Elektrolyten ebenfalls zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithiumionen die Elektronen des externen Stromkreises auf, sondern die dort vorhandenen Strukturen der Übergangsmetallverbindungen. Je nach Akkumulatortyp können das Cobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisen-Ionen sein, die ihre Ladung ändern. Das Lithium liegt im entladenen Zustand des Akkumulators in der positiven Elektrode weiterhin in Ionenform vor.
Da die Affinität der Lithiumionen zum Material der positiven Elektrode größer ist als ihre Affinität zur negativen (Graphit-)Elektrode, wird beim Fließen von Lithiumionen von der negativen zur positiven Elektrode Energie freigesetzt.
Innerhalb beider Elektroden können sich Elektronen als Elektronengas frei bewegen und zu den externen Leitern wandern bzw. aus den Leitern in die Elektrode eintreten, nicht jedoch zwischen den Elektroden innerhalb des Akkumulators wandern. Die Trennwand (Separator) ist elektronenundurchlässig, was einen Kurzschluss verhindert.
Aufbau Während bei Bleiakkumulatoren die Elektroden noch in den Elektrolyten getaucht sind, ist bei Lithium-Akkumulatoren der Schichtaufbau üblich. Die Elektrodenmaterialien werden dazu zu einer streichbaren Paste verarbeitet und auf eine Folie aufgetragen, die als Stromableiter fungiert. Zwischen die Elektrodenfolien wird eine dritte Folie als Separator eingelegt.
Dieser Folienstapel wird für den Zusammenbau in einer Batterie geschnitten, gewickelt oder gefaltet. Bei einer Rundzelle entsteht aus dem Stapel eine Rolle, die in einen zylindrischen Behälter geschoben wird, der gegebenenfalls mit einem Elektrolyten aufgefüllt und dann dicht verschlossen wird. Es gibt jedoch auch eine Reihe von flachen Bauformen.
Mehrere Batteriezellen können zu einem Batteriepack zusammengesetzt werden, insbesondere, um eine gewünschte Spannung zu erreichen. Bekannt sind der 9-Volt-Block, der auf verschiedenen Zellchemien basieren kann, und die Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge mit typischerweise 400 Volt Nennspannung.
Produktion mini|Mischtrommel für den Slurry mini|Elektrodenbeschichtung über Rollen mini|Kalandern nach der Trocknung
Die Serienherstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen umfasst die drei Hauptprozessschritte Elektrodenfertigung, Zell-Assemblierung und Zell-Finishing. Die Folien werden dabei als Endlosbänder über Rollen geführt. Die Fertigungsstraßen für die Elektrodenfertigung (Coating line) und die Zell-Montage (Assembly line) werden hierbei getrennt aufgebaut.