Lithium-Ionen-Akkus: Das sollten Sie darüber wissen
Lithium-Ionen-Akkus spielen eine Schlüsselrolle bei der Energie- und Verkehrswende. Wir beantworten die wichtigsten Fragen zu der Batterietechnik.
Lithium-Ionen-Akkus spielen eine wichtige Rolle bei der Energiewende, wir stellen die wichtigsten Fakten vor.
Foto: Panthermedia.net/janaka (YAYMicro)
Sie gelten als wichtigstes Element, um Veränderungen in der Mobilität und der Energienutzung voranzutreiben. Lithium-Ionen-Akkus sind derzeit die effizientesten Energiespeicher und werden deshalb nicht nur in Smartphones und Haushaltsgeräten, sondern auch in E-Autos und E-Bikes eingebaut. Erfahren Sie in diesem Ratgeber alles, was Sie über Lithium-Ionen-Akkus wissen sollten. Wir erklären den Aufbau der Akkus, stellen Ihnen die Vor- und Nachteile vor und verraten Ihnen, wie sich die Batterien recyceln lassen.
Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus bestehen, wie der Name bereits verrät, aus Lithium. Dieser Stromspeicher beinhaltet als Basis einen Elektrolyten. Dieser wiederum macht es möglich, dass Lithium-Ionen sich leiten lassen. Vom Grundprinzip her ist ein solcher Akku wie eine galvanische Zelle aufgebaut: Er besteht also aus einer negativen Elektrode, der sogenannten Anode, und einer positiven Elektrode, der Kathode.
Für die Anode wird in der Regel Graphit als Material eingesetzt, bei der Kathode Lithium-Metalloxide. Als Elektrolyten werden meist wasserfreie Lösungsmittel, sogenannte niedrigviskose Alkylcarbonate und Lithiumsalze verwendet. Lithium-Ionen-Akkus speichern elektrische Energie und lassen sich wieder aufladen. Dank ihrer hohen Energiedichte können sie viel Strom speichern und viele Jahre genutzt werden.
Das Speicherpotenzial von Lithium-Ionen hat der britische Chemiker M. Stanley Whittingham bereits in den 1970er Jahren entdeckt. Er arbeitete aber nicht weiter daran, so dass erst in den 1980er Jahren andere Forscher die Nutzung der positiven und negativen Elektrode weiterentwickelten. Daraus resultierte die kommerzielle Umsetzung: Sony brachte 1991 den ersten Lithium-Ionen-Akku auf den Markt. Heute gelten diese Akkus als Stromspeicher der Zukunft, vor allem, weil sie als Akkus in Elektroautos zur Energiewende beitragen.
Vor- und Nachteile des Lithium-Ionen-Akkus
Es gibt verschiedene Gründe, weshalb Lithium-Ionen-Akkus häufig verwendet werden.
Die Vorteile des Lithium-Ionen-Akkus im Überblick:
- Sie lassen sich wieder aufladen.
- Ihre Energiedichte ist deutlich höher als die anderer Akkus.
- Sie bieten eine Lebensdauer über mehrere Jahre.
Demgegenüber stehen allerdings auch ein paar Nachteile:
- Lithium-Ionen-Akkus reagieren empfindlich auf Hitze, Kälte und Sonneneinwirkung
- Die Art der Lagerung und Nutzung des Akkus hat Auswirkungen auf die Lebensdauer.
- Entsteht eine Überspannung oder eine Tiefentladung kann sich das negativ auswirken.
Mit Lithium-Ionen-Akku sollten Sie ordnungsgemäß umgehen. Das betrifft Benutzung, Lagerung, Transport und Entsorgung. Wer die Akkus nicht sachgemäß verwendet, muss mit Kurzschlüssen und sogar Brandgefahr rechnen. Deshalb ist es wichtig, die Akkus vor übermäßigen Stößen, Schlägen oder dem Herunterfallen zu schützen. Aufladen sollten Sie diese nur mit dem passenden Ladegerät. Und im Falle eines Brandes möglichst mit Sand löschen – nicht mit Wasser.
Wo werden Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt?
Lithium-Ionen-Akkus gibt es in unterschiedlichen Größen und Formaten: klein, in zylindrischer oder Prima-Form, groß und im dünnen Pouch-Format. Dementsprechend breit gefächert ist auch das Einsatzgebiet dieser Akkus. Sie werden in Smartphones und Laptops eingesetzt, in Fernsteuerungen, Haushalts- und Gartengeräten, Kameras, in Spielzeug, medizinischen Geräten sowie in Werkzeugen, E-Scootern, E-Bikes und E-Fahrzeugen.
Die Forschung beschäftigt sich seit einigen Jahren damit, verschiedene Zellformate zu entwickeln und die daraus resultierenden Eigenschaften des Akkus zu erforschen. Auch die Auswahl von Materialien ist Gegenstand von Forschungen. Im Endeffekt geht es vor allem darum, dass die Lithium-Ionen-Akkus eine noch höhere Energiedichte erreichen und sich die Kosten in der Produktion senken lassen. Zudem soll der ökologische Fußabdruck stetig verbessert werden, indem nachhaltigere Materialien eingesetzt und ausgemusterte Akkus noch flächendeckender und konsequenter als heute recycelt werden.
Auch mit einer kürzeren Ladedauer, mehr Sicherheit, längerer Lebensdauer und besserem Temperaturverhalten beschäftigen sich die Forschenden.
Welche Umweltauswirkungen haben Lithium-Ionen-Akkus?
Schon seit etlichen Jahren gilt in Deutschland: Batterien werden nicht im Hausmüll, sondern gesondert entsorgt. Das betrifft jegliche Form von Batterien und ebenso Lithium-Ionen-Akkus. Hersteller sind verpflichtet, Altgeräte mit solchen Akkus kostenlos zurückzunehmen – auch solche aus E-Bikes beispielsweise. Darüber hinaus nehmen häufig auch kommunale Sammelstellen diese zurück. Eine Entsorgung beim lokalen Wertstoffhof ist ebenfalls möglich.
Die Umweltauswirkungen der Akkus beginnen allerdings schon vor der Produktion. Denn zuerst müssen die notwendigen Rohstoffe, hauptsächlich Lithium und Graphit, gewonnen werden. Lithium wird zum größten Teil in Chile, Argentinien und Bolivien abgebaut. Graphit kommt aus China, Mosambik, Madagaskar und Brasilien. In diesen Ländern herrschen nicht annähernd so hohe Sicherheits- und Umweltstandards wie in Europa.
Dementsprechend relevant ist das Recycling bei Lithium-Ionen-Akkus, damit diese Rohstoffe wiederverwertet werden können. Aktuell gelangen erst wenige dieser Akkus zurück in die Kreislaufwirtschaft. Auch wenn Lithium-Ionen-Akkus vermutlich noch nicht komplett erforscht sind, sucht die Wissenschaft bereits nach Alternativen. Dazu zählen zum Beispiel Lithium-Luft-, Aluminium-Ionen-Akkus sowie die Verbindungen Lithium-Schwefel und Zink-Luft.
Wie lassen sich Lithium-Ionen-Akkus recyceln?
Lithium-Batterien bestehen aus mehreren Schichten. Sie enthalten eine negativ geladene Graphit-Elektrode und eine positiv geladene Lithium-Metalloxid-Elektrode, eingebettet in dünne Folien aus Aluminium und Kupfer. Diese geschichtete Struktur erschwert das Recycling, da die Materialien zunächst mühsam getrennt werden müssen. Folgende Reycling-Verfahren haben sich bislang etabliert.
Mechanisches Recycling: Bei dieser Methode werden die Schichten des Akkus getrennt und zerkleinert. Aufgrund unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften der Metalle lassen sich einige Rohstoffe aus dem zerkleinerten Material zurückgewinnen.
Polymetallurgisches Recycling: Hierbei werden die Batterien erhitzt, wobei sich zunächst Kunststoffgehäuse und andere nicht-metallische Materialien lösen. Durch die unterschiedlichen Schmelzpunkte von Metallen wie Lithium, Kobalt und Aluminium können spezifische Rohstoffe bei bestimmten Temperaturen extrahiert werden. Obwohl effektiv, ist dieses Verfahren aufgrund des hohen Energiebedarfs wenig nachhaltig.
Innovative Recyclingmethoden in Deutschland:
- Duesenfeld: Statt Schmelzen erfolgt hier das Zerkleinern der Akkus und anschließende Extraktion der Rohstoffe durch verschiedene Prozesse, wobei bis zu 96 % der Materialien zurückgewonnen werden.
- Fraunhofer IWKS: Im Projekt „Automotive Battery Recycling 2020“ entwickelte das Institut eine Technik, bei der große Lithium-Batterien durch schnelle Entladung zerlegt werden, um danach die Rohstoffe mechanisch zu extrahieren.
Zukunft der Lithium-Ionen-Technologie
Für die kommenden Jahre ist vermutlich noch nicht damit zu rechnen, dass Lithium-Ionen-Akkus von anderen Akku-Typen abgelöst werden. Sie gelten als aktuell einzige skalierbare Technologie und zeigen ein deutliches Wachstum. Ein großes Potenzial verspricht sich die Wissenschaft von Feststoffbatterien. Sie könnten mittel- oder langfristig eine Alternative werden.
Aktuell gehen Forschende davon aus, dass sie in den relevanten Leistungsparametern wie Energiedichte, Sicherheit, Kosten, Lebensdauer und Schnellladefähigkeit künftig mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten und sogar bessere Ergebnisse erzielen können. Wann alternative Technologien marktreif sein werden, lässt sich Stand heute schwer vorhersagen. Da der Bedarf an Hochleistungsbatterien weiter wachsen wird – künftig sollen auch Lkw elektrisch betrieben werden und in der Luftfahrt ist eine Elektrifizierung ebenfalls denkbar – wird die Lithium-Ionen-Technologie in naher Zukunft das Maß der Dinge bleiben.
Insgesamt werden Speichersysteme aufgrund der von der Bundesregierung vorangetriebenen Energiewende immer wichtiger und müssen in Zukunft in deutlich größerer Zahl als heute zur Verfügung stehen. Vor allem dann, wenn auch die Wärmeversorgung künftig zum Großteil auf Strom basieren wird. Experten gehen gar von einer Verzehnfachung der Nachfrage aus.
Neben Lithium-Ionen-Akkus gelten folgende Technologien als mögliche Alternativen:
- Metall-Ionen-Akkus sind denen aus Lithium-Ionen relativ ähnlich, allerdings nicht so abhängig von bestimmten Rohstoffen. Zudem ist ihr Potenzial in puncto Nachhaltigkeit größer. Hinsichtlich Leistungs- und Energiedichte sowie Zykluslebensdauer könnten sie Lithium-Ionen-Akkus überholen.
- Metall-Schwefel-Batterien liefern bereits gute Ergebnisse bei der Energiedichte. Ihr Vorteil: Einige könnten günstiger in der Herstellung sein und einen kleineren CO2-Fußabdruck haben.
- Metall-Luft-Akkus müssen noch eingehend erforscht werden. Hier gibt es erste Ergebnisse und Annahmen, aber noch keine belastbaren Ergebnisse. Ihre Energiedichte scheint vielversprechend zu sein. Sie haben zudem das Potenzial, in der Produktion günstiger und ökologisch verträglicher zu sein.
- Redox-Flow-Batterien gibt es bereits auf Basis von Vanadium. Eine Weiterentwicklung scheint auch hier sinnvoll zu sein.
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