Lithium-Ionen-Batterien haben die Art und Weise, wie wir Energie speichern und nutzen, verändert. Im Vergleich zu herkömmlichen Optionen wie Blei-Säure- oder Nickel-basierten Zellen sind sie leichter, kompakter und bieten eine deutlich höhere Energiedichte, was längere Laufzeiten in einem kleineren Gehäuse ermöglicht. Der Rest des Artikels führt Sie durch die Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, wie sie sich von den anderen abhebt und warum Geräte, Solar- und Windkraftanlagen sowie Elektrofahrzeuge sie heute verwenden.
Wie funktioniert der Lithium-Ionen-Akku?
Lithium-Ionen-Akkus sind wiederaufladbare Akkus zur Energiespeicherung. Sein besonderes Funktionsprinzip ist die Migration von Lithiumionen zwischen zwei Elektroden.
- Anode (negative Elektrode): meist Graphit, dient als Speicherort für die Lithium-Ionen beim Laden. Durch die geschichtete Beschaffenheit der Anode können Ionen problemlos aus der Batterie austreten und in sie eindringen, was sie für viele Zyklen effizient macht.
- Kathode (positive Elektrode): typischerweise aus Lithiumverbindungen wie LiCoO₂ oder LiFePO₄, in denen die Lithiumionen zurückgehalten werden. Das gewählte Material bestimmt dabei den größten Einfluss auf die Kapazität, Spannung und Stabilität der Batterie.
- Elektrolyt: ein Gel oder eine flüssige Substanz, die den Fluss von Lithiumionen von der Kathode zur Anode erleichtert. Es ermöglicht den ungehinderten Durchgang von Ionen, hält aber die Elektronen im äußeren Stromkreis gefangen, sodass die Batterie Geräte ohne Sicherheitsbedenken mit Strom versorgen kann.
- Trennzeichen: extrem dünne poröse Membran zwischen Kathode und Anode, dennoch ionendurchlässig.
Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Schritt für Schritt
- Ladephase: Die Lithiumionen wandern durch die Anwendung des Elektrolyten von der Kathode zur Anode. Bei einer Ausgleichsladung bewegen sich die Elektronen in einem Stromkreis aus der Batterie.
- Entladephase: Die Lithium-Ionen wandern wieder von der Anode zur Kathode und die gespeicherte Energie wird verdrängt.
- Reversibilität: Der Fluss der Ionen lässt sich umkehren und so werden Lithium-Ionen-Akkus geladen.
Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien unterscheidet sich von anderen Batterien
- Energiedichte
Doppelt so viel Energie wie Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu NiCd- oder Blei-Säure-Batterien. Daher eignen sie sich am besten für Laptops, Mobiltelefone und Elektroautos.
- Zyklus Leben
Lithium-Ionen-Akkus haben eine Lebensdauer von 3.000–5.000 Ladezyklen, während hochwertige Chemie wie LiFePO₄ mehr als 6.000 Zyklen ermöglicht. Oder Blei-Säure-Batterien haben eine Lebensdauer von etwa 300–500 Zyklen, bevor ihre Kapazität verloren geht.
- Laderate und Effizienz
Lithium-Ionen-Akkus laden sich langsam auf und verbrauchen beim Laden weniger Strom. Blei-Säure-Batterien laden sich langsamer auf und geben mehr Energie in Form von Wärme ab.
- Memory-Effekt
NiCd-Akkus und, was weniger auffällig ist, NiMH-Akkus unterliegen dem „Memory-Effekt“, bei dem die verfügbare Kapazität verloren geht, wenn sie vor dem Aufladen nicht vollständig auf Null entladen werden. Lithium-Ionen-Akku funktioniert ist frei von Memory-Effekten und teilweises Aufladen ohne Schaden.
- Gewicht und Tragbarkeit
Lithium-Ionen-Batterien sind im Vergleich zu schwereren und sperrigeren Blei-Säure-Batterien leicht und kompakt. Ein geringeres Gewicht ist bei mobilen Einsätzen und Elektrofahrzeugen ein wesentlicher Vorteil.
- Sicherheit und Stabilität
Lithium-Ionen-Batterien benötigen Schutzschaltungen, um Überladung, Tiefentladung und Überhitzung zu vermeiden. Die derzeitige Technologie, einschließlich einer Blei-Säure-Batterie, ist möglicherweise weniger anfällig für thermisches Durchgehen, stellt jedoch im Falle eines Säureaustritts eine Gefahr dar und muss in regelmäßigen Abständen gewartet werden.
Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien
Die überlegenen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien machen sie zum Rückgrat moderner Energielösungen. Sie werden häufig verwendet in:
- Elektrofahrzeuge (EVs): Tesla, BYD und ähnliche Unternehmen nutzen Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer langen Lebensdauer und hohen Energiedichte.
- Speicher für erneuerbare Energien: Lithium-Ionen-Batterien speichern überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen für die zukünftige Nutzung.
- Medizinische Geräte: Herzschrittmacher, tragbare Monitore und Hörgeräte verwenden alle Lithium-Ionen-Batterien mit geringer Leistung.
- Elektrowerkzeuge: Akku-Bohrschrauber, Gartengeräte und Industriegeräte.
Schlussfolgerung
Der Lithium-Ionen-Betrieb unterscheidet sich von anderen herkömmlichen Technologien. Lithium-Ionen-Batterien sind in praktisch allen Aspekten besser als Blei-Säure-, NiCd- und NiMH-Batterien, mit hoher Energiedichte, langer Lebensdauer, geringem Gewicht und schneller Aufladung.
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