Lithiumbatterien sind die Batterien von morgen - oder gar schon von heute? Erfahre, wo sie eingesetzt werden, wie sie funktionieren und welche Rolle das Lithium dabei eigentlich spielt.
In welchen Batterien ist Lithium?
Wurde Lithium vor 10 Jahren noch in nur 3 % aller Batterien verwendet, sind es heute bereits 15 % - Tendenz weiter steigend. Lithiumbatterien und Lithium-Ionen-Akkus werden also zunehmend bedeutender und vielfältig eingesetzt.
Sind Autobatterien Lithiumbatterien?
Du fragst dich, ob die Batterien von Elektrofahrzeugen wie Autos Lithium-Batterien sind? Die Antwort lautet: ja. Die Entwicklung von E-Motoren geht eng mit der Weiterentwicklung von Lithiumionenbatterien einher.
Und die Technologie ist nicht nur modern, sondern bringt auch viele Vorteile mit sich. So schwören viele Menschen auf die Leistungsfähigkeit von sogenannten asynchronen Motoren, wie bei E-Autos, im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren.
Technisch sind die Letzteren wohl weit überlegen und außerdem deutlich robuster. Das ist zum Beispiel dadurch der Fall, dass sich im Asynchronmotor weniger bewegliche Teile befinden und es ein hohes Anlaufdrehmoment gibt. So kann ein Auto schnell beschleunigen und die Geschwindigkeit gut halten bzw. regeln. Und, neben einem höheren Drehzahlbereich sind diese Motoren auch günstiger.
Um den Motor mit dem benötigten Strom zu versorgen, kommt Lithium ins Spiel. Wie genau das funktioniert, erfährst du später. Neben Elektroautos sind übrigens auch die Batterien von E-Bikes, E-Scootern und Pedelecs Lithiumbatterien.
In welchen Batterien ebenfalls Lithium eingesetzt wird
Neben der elektrischen Mobilität sind lithiumhaltige Batterien und Akkus in vielen weiteren Gegenständen im Einsatz, die du im Alltag wahrscheinlich häufig in den Händen hältst. Dazu zählen zum Beispiel mobile Geräte wie Smartphones, Tablets, Laptops und Notebooks.
Auch Kameras, Fernbedienungen sowie Steuergeräte aus der Ferne und Drohnen funktionieren mit Lithium. Darüber hinaus findest du diese Batterien in manchen Spielzeugen, Werkzeugen, Haushaltsmaschinen, Gartengeräten und medizinischen Geräten.
Du siehst: Es sind schon viele Elektrogeräte, die Lithiumbatterien nutzen, und es werden immer mehr. Viele dieser Batterien bzw. Akkus sind mit "Li" oder "Li-Ion" gekennzeichnet, woran du erkennst, dass es sich um Lithiumbatterien oder Lithiumakkus handelt.
Was macht Lithium in der Batterie?
Die Forschung an Lithium-Batterien begann etwa in den 1960er-Jahren. Ältere Technologien sollten verändert und stattdessen verstärkt elektrochemisches Potential genutzt werden. Über ein solches verfügen Metalle. Das elektrochemische Potential bedeutet im Grunde die Tendenz, Elektronen abzugeben.
Warum man dabei begann, auf Lithium-Ionen zurückzugreifen, liegt auf der Hand, wenn man sich das Potential von Lithium anschaut: Mit -3,05 Volt verfügt Lithium über das niedrigste Standardpotential aller chemischen Elemente. Daraus lässt sich eine entsprechend hohe Zellspannung realisieren. Auch die theoretische spezifische Kapazität in Höhe von 3,86 Ah/g macht Lithium ideal für negative Elektroden in elektrochemischen Zellen.
Kurz gesagt hat Lithium die höchste Tendenz, Elektronen zu verlieren. Und diese spielt eine bedeutende Rolle in der Funktionsweise von Lithiumbatterien bzw. Lithium-Ionen-Akkus.
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Die Herausforderung von Lithium in Batterien
Was es zunächst herausfordernd machte, Lithium in Batterien und Akkus einzusetzen, ist, dass das Element mit Wasser und sogar feuchter Luft schnell reagiert. So kommen Flüssigkeiten als Elektrolyte nicht in Frage.
Alternativ muss auf aprotische, also nicht-wässrige, Elektrolyt-Lösungen zurückgegriffen werden. Das können zum Beispiel Festelektrolyte, Propylencarbonat oder Acetonitril sein. Indem wasserfreie Elektrolytsalze zugesetzt werden, wird das Ganze leitfähiger.
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Der Aufbau einer Lithiumbatterie
Wenn du einen Lithium-Ionen-Akku öffnest, findest du dort also eine Zelle mit einem Elektrolyten. Dieser Elektrolyt transportiert die Ladungsträger. Darüber hinaus gibt es dort zwei Elektroden. Eine davon besteht aus Metalloxid, die andere aus einem Speichermaterial wie zum Beispiel Graphit.
Erstere ist eine positiv geladene Elektrode bzw. Kathode, die zweite eine negative Elektrode bzw. Anode. Die Lithiumatome lagern in die Kathode, also die positive Elektrode.
Und dann gibt es im Elektrolyt noch ein Separator, durch den beide Elektronen voneinander getrennt sind. Nur die Lithium-Ionen können zwischen beiden Elektroden hin und her wandern. Der Separator übernimmt dadurch eine enorm wichtige Funktion, denn er verhindert einen Kurzschluss in der Zelle.
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Laden und Entladen einer Akku-Zelle
Um jedoch von der positiven zur negativen Elektrode fließen zu können, muss das Lithium-Atom zunächst sein (einziges) Elektron abgeben. Das tut es aber ziemlich bereitwillig. Dadurch wird es zum positiv geladenen Ion und kann den Separator problemlos durchqueren.
Da Elektronen in der Regel den Weg des geringsten Widerstands wählen, fließen diese hingegen durch den Energieleiter. Wird ein Akku aufgeladen, fließen die Elektronen von der positiven zur negativen Elektrode. Dort entsteht in Folge ein Elektronen-Überschuss. Die Kathode leert sich wiederum von den Elektronen.
Das positive Lithium-Ion nimmt, in der Anode angekommen, dann ein negativ geladenes Elektron auf. So kehrt es in einen neutralen, ungeladenen Zustand zurück und setzt sich als solches zwischen die Graphit-Moleküle.
Das Entladen eines Akkus setzt im Prinzip dann ein, wenn ein Elektrogerät in Gebrauch ist. Die Metallionen an der zuvor positiv geladenen Elektrode nehmen sich Elektronen aus dem Leiter. Aus der Anode fließen Elektroden nach, wodurch das Lithium-Ion abermals sein Elektron abgibt und in den Zustand einer positiven Ladung gelangt. Es fließt wieder zurück in die andere Elektrode und sammelt sich dort ein neues Elektron ein.
Und der Strom, an dem wir interessiert ist und für den die Lithiumbatterie überhaupt erst erfunden wurde, wird erzeugt, in dem die Elektrons zwischen den Elektroden hin und her wandern.
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Wie lange hält eine Lithium-Batterie?
Für Nutzer und Nutzerinnen von Geräten, die mit Lithiumbatterien betrieben werden, spielt die Lebensdauer dieser eine wichtige Rolle. Schließlich möchte man nicht alle paar Jahre eine neue Batterie kaufen müssen - gerade, wenn es sich bum ein Auto, einen Wohnwagen oder andere Geräte mit ohnehin schon hohen Anschaffungskosten handelt.
Hochwertige Produkte sollen auch über hochwertige und langlebige Akkus verfügen, so die nachvollziehbare Erwartungshaltung. Vor allem, weil sich der Akku bei manchen Geräten wie einigen Smartphones (Gruß an Apple) auch gar nicht mehr austauschen lässt, sondern fest verbaut ist. Dann muss ein Profi ran oder gleich ein ganz neues Gerät her.
Die Lebensdauer eines Akkus lässt sich in zwei unterschiedliche Faktoren einteilen:
- Die Zyklenlebensdauer
- Die kalendarische Lebensdauer
Mit der Zykluslebensdauer ist die Anzahl der Zyklen genannt, wie oft du einen Akku laden und entladen kannst. Bei jedem Ladevorgang sowie der Nutzung entstehen chemische Veränderungen in den Zellen. Beispielsweise führen diese zu thermischen Ausdehnungen oder es bilden sich sogenannte Dendriten. Im Datenblatt eines Geräts ist die Anzahl der Ladezyklen angegeben. Für kleinere Geräte sind es meist 500-800 Ladezyklen.
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Eine durchschnittliche Autobatterie für Elektroautos hat heutzutage etwa eine Zyklenlebensdauer von 3.000 Zyklen. Die Forschung arbeitet aber hart daran, diese auf 10.000 Zyklen zu erhöhen. So soll ein Auto 25 Jahre lang mit derselben Batterie fahren können. Das wäre ein bedeutsamer Fortschritt in der Elektromobilität. Dazu untersuchen Forscher und Forscherinnen zum Beispiel, ob sie das Graphit durch Silizium austauschen, um die Energiedichte der Lithium-Ionen so um das 5-fache zu erhöhen, ohne dass der Akku größer wird.
Bei der kalendarischen Lebensdauer wird auf das Alter der Batterie Bezug genommen. Denn ja, auch Batterien und Akkus werden älter und verlieren ihre Kraft - schlicht, weil der Elektrolyt und die beiden Elektroden sich langsam aber sicher chemisch zersetzen.
Ob zuerst die zyklische oder die kalendarische Lebensdauer erreicht wird, hängt davon ab, wie häufig du den Akku verwendest. Bei regelmäßig genutzten Gegenständen wie dem Handy oder Laptop ist es normalerweise die Zyklenlebensdauer, die zuerst ihr Ende erreicht.
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Freund der Moderne, Feind der Umwelt?
Lithiumbatterien sind auf der einen Seite ein technologisches Wunderwerk. Immerhin sind sie es, die es uns ermöglichen, viele Stunden täglich unser Smartphone zu benutzen, mobil für längere Zeit am Laptop zu arbeiten und langsam aber sicher auf elektrisch angetriebene Mobilität umzusteigen.
Aber auf der anderen Seite stehen die Batterien und Akkus auch immer wieder in der Kritik. Dabei geht es um den Abbau benötigter Rohstoffe, insbesondere Lithium und Kobalt, und die Frage, wie umweltfreundlich ebendieser sowie die Weiterverteilung ist.
Lithiumvorkommen gibt es vor allem in Chile, Bolivien und Argentinien. Etwa 75 % der bekannten Lithium-Ressourcen liegen dort. Dort gibt es in den Bergen große Salzseen, die das Lithium enthalten. In Australien und einigen anderen Ländern kann Lithium auch aus Gestein in Bergwerken abgebaut werden.
Allzweckmittel im Alltag: Essig
Für gerade die genannten südamerikanischen Länder wurde der Export von Lithium spätestens mit dem Boom der E-Autos zu einem wichtigen Wirtschaftszweig. Da die Salzseen in der Regel trocken sind, wird das Wasser aus der Tiefe hochgepumpt. Sobald es verdunstet, kann das Lithium herausgefiltert werden.
Das Problem dabei ist, dass es in den Regionen häufig ohnehin schon wenig regnet und das Grundwasser so noch mehr sinkt. Das vorhandene Wasser wird zudem oft mit dem Salzwasser kontaminiert und erhöht das Problem der Wasserknappheit. Nicht zuletzt, weil für das Herausfiltern von Lithium Chemikalien eingesetzt werden, die auch der Umwelt und den Ökosystemen schaden.
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Um das Lithium weiterzuverarbeiten, wird es anschließend meist nach Asien geschifft, insbesondere nach China, Korea oder Japan. Batterieproduzenten gibt es in den Herkunftsländern des Rohstoffes nicht, und auch in den USA und Europa noch sehr selten.
So ist der weite Weg vom Ursprung zur Fabrik ein weiterer Kritikpunkt - die fertige Batterie wird anschließend ja auch wieder um den halben Erdball transportiert. Zudem reduziert sich der Gewinn für das Land, das eigentlich über das Rohstoffvorkommen verfügt.
Ein Hoffnungsschimmer: Lithiumbatterien recyclen
Etwas Hoffnung gibt es, dass das Lithium selbst auch nach langen Nutzungsdauern nicht unbrauchbar wird. Es sind andere Bestandteile, durch die Batterien und Akkus irgendwann das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.
Für Lithium hingegen gibt es bereits Verfahren, die es aus den alten Lithiumbatterien wieder heraussortieren und weiterverwenden können. Dadurch könnte der Bedarf, neues Lithium abzubauen, sinken.
Das Problem ist aber, dass noch nicht genügend Lithiumbatterien im Umlauf sind, um das Recycling industriell anzugehen und damit wirtschaftlich zu machen. Zudem kann man einen Stoff oder Gegenstand nicht bis in alle Ewigkeit recyceln, so dass alles irgendwann auf dem Müll landet.
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