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Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie

| Autor: Bernhard Richter

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir regelmäßig ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Die Lithium-Ionen-Batterie

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Eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie der Größe 18650 (oben) mit einer AA-Batterie. Dieser Typ 18650 findet sich häufig in Laptop-Batteriepacks und ist u.a. im Tesla Roadster verbaut.
Eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie der Größe 18650 (oben) mit einer AA-Batterie. Dieser Typ 18650 findet sich häufig in Laptop-Batteriepacks und ist u.a. im Tesla Roadster verbaut.
(Bild: Lead holder / CC BY-SA 3.0 / CC BY-SA 3.0)

Eine Lithium-Ionen-Batterie oder Li-Ionen-Batterie ist eine wiederaufladbare Batterie oder Akkumulator. Lithium-Ionen-Batterien werden häufig für tragbare Elektronikgeräte und Elektrofahrzeuge verwendet und sind auch bei Militär- und Raumfahrtanwendungen immer beliebter.

Li-Ionen-Batterien verwenden einen Lithiumverbundstoff an der positiven Elektrode und Graphit an der negativen Elektrode. Die Batterien haben eine hohe Energiedichte, keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung.

Sie können jedoch ein Sicherheitsrisiko darstellen, da sie brennbare Elektrolyte enthalten und bei Beschädigung oder falscher Ladung explodieren können.

Erste Ideen zur Batterie gab es bereits in den 1970er Jahren. Diese Prototypen waren allerdings sehr teuer und daher nicht praktikabel, da sie u.a. Titan-Disulfid nutzten das sehr schwer herzustellen war.

Ist die Batterie gut genug?

1979 entwickelten die Forscher John B. Goodenough und sein Kollege Koichi Mizushima eine wiederaufladbare Lithiumzelle mit etwa 4 Volt Spannung, die Lithium Kobalt Dioxid als positive Elektrode nutzte. Diese Entwicklung machte eine kommerziell nutzbare Lithium-Ionen-Batterie erst möglich.

Aber den Forschern war das nicht gut genug - Goodenough und seine Mitarbeiter verbesserten die Batterie stetig und 1996 stellten sie Lithium Eisen Phosphat (LiFePO4) als positives Elektrodenmaterial vor.

Das Nobelpreis-Kommittee war allerdings der Meinung die urprüngliche Entwicklung sei gut genug und im Jahre 2019 wurden John B. Goodenough und seinen Kollegen für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie der Nobelpreis in Physik verliehen.

Recyclingfähigkeit und Umwelteinfluss

Da Li-Ionen-Batterien weniger giftige Metalle enthalten als andere Arten von Batterien, die Blei oder Cadmium enthalten können, werden sie im Allgemeinen als nicht gefährlicher Abfall eingestuft. Lithium-Ionen-Batterieelemente wie Eisen, Kupfer, Nickel und Kobalt gelten als sicher für Verbrennungsanlagen und Deponien. Diese Metalle können recycelt werden, aber der Abbau bleibt im Allgemeinen billiger als das Recycling.

In der Vergangenheit wurde aufgrund der Kosten, der Komplexität der Batterie und der geringen Ausbeute nicht viel in das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien investiert.

Seit 2018 wurde die Recyclingausbeute erheblich gesteigert, und die Rückgewinnung von Lithium, Mangan, Aluminium, den organischen Lösungsmitteln des Elektrolyten und Graphit ist im industriellen Maßstab möglich. Das teuerste Metall, das beim Bau der Zelle verwendet wird, ist Kobalt, das zu einem großen Teil im Kongo unter menschlich zweifelhaften Umständen abgebaut wird.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.de.

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