Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien?

2020-04-21 11:19:28

Die Smartphone-Ära ist erst etwas mehr als ein Jahrzehnt alt, aber die Computer im Taschenformat, die im Mittelpunkt dieses gesellschaftlichen Wandels stehen, sind nur aufgrund einer anderen Technologie wirklich möglich: Lithium-Ionen-Batterien.

Diese Batterietypen wurden 1991 von Sony erstmals für seine Camcorder im Handel verkauft und eignen sich für weit mehr als tragbare Unterhaltungselektronik. Sie stehen im Zentrum zweier weiterer technologischer Revolutionen mit der Kraft, die Gesellschaft zu verändern: dem Übergang von Verbrennungsmotoren zu Elektrofahrzeugen und der Umstellung von einem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Stromnetz auf Generatoren für erneuerbare Energien, die überschüssigen Strom in Batterien speichern zukünftiger Gebrauch.

Wie funktionieren diese Batterien? Wissenschaftler und Ingenieure haben ganze Karrieren damit verbracht, bessere Batterien zu bauen, und es gibt immer noch Rätsel, die wir nicht vollständig verstehen. Um Batterien zu verbessern, müssen Chemiker und Physiker Veränderungen auf atomarer Ebene untersuchen sowie Maschinenbau- und Elektrotechniker, die die Batteriepacks für die Stromversorgung von Geräten entwerfen und zusammenbauen können. Als Materialwissenschaftler an der University of Washington und im Pacific Northwest National Lab hat meine Arbeit dazu beigetragen, neue Materialien für Lithium-Luft-Batterien, Magnesium-Batterien und natürlich Lithium-Ionen-Batterien zu erforschen.

Betrachten wir einen Tag im Leben zweier Elektronen. Wir nennen einen von ihnen Alex und er hat einen Freund namens George.

Batterie Anatomie

Wie eine normale AA-Alkalibatterie von innen aussieht. Hauptinhaber / Wikimedia Commons

Alex lebt in einer normalen AA-Alkalibatterie, wie in Ihrer Taschenlampe oder Fernbedienung. In einer AA-Batterie befindet sich ein mit Zink gefülltes und ein weiteres mit Manganoxid gefülltes Fach. An einem Ende hängt das Zink nur schwach an Elektronen wie Alex. Am anderen Ende zieht das Manganoxid Elektronen stark zu sich hin. Dazwischen verhindert ein Stück Papier, das in einer Lösung aus Kalium und Wasser eingeweicht ist, die als positive Kaliumionen und negative Hydroxidionen nebeneinander existieren, dass die Elektronen nicht direkt von einer Seite zur anderen gelangen.

Wenn der Akku in ein Gerät eingelegt und eingeschaltet wird, ist der interne Stromkreis des Geräts abgeschlossen. Alex wird aus dem Zink gezogen, durch den Kreislauf und in das Manganoxid. Unterwegs treibt seine Bewegung das Gerät oder die Glühbirne oder was auch immer an die Batterie angeschlossen ist, an. Wenn Alex geht, kann er nicht zurückkommen: Das Zink, das ein Elektron verloren hat, bindet sich mit dem Hydroxid und bildet Zinkoxid. Diese Verbindung ist extrem stabil und kann nicht leicht wieder in Zink umgewandelt werden.

Auf der anderen Seite der Batterie gewinnt das Manganoxid ein Sauerstoffatom aus dem Wasser und hinterlässt Hydroxidionen, um das vom Zink verbrauchte Hydroxid auszugleichen. Sobald alle Nachbarn von Alex das Zink verlassen und zum Manganoxid übergegangen sind, ist die Batterie erschöpft und muss recycelt werden.

Lithium-Ionen-Vorteile

Vergleichen wir dies mit George, der in einer Lithium-Ionen-Batterie lebt. Lithium-Ionen-Batterien haben die gleichen Grundbausteine wie alkalische AA-Zellen, mit einigen Unterschieden, die große Vorteile bringen.

George lebt in Graphit, der beim Halten von Elektronen noch schwächer als Zink ist. Und der andere Teil seiner Batterie ist Lithium-Kobaltoxid, das Elektronen viel stärker zieht als Manganoxid - wodurch seine Batterie viel mehr Energie auf der gleichen Fläche speichern kann als eine Alkalibatterie. Die Lösung, die Graphit und Lithiumkobaltoxid trennt, enthält positiv geladene Lithiumionen, die beim Entladen und Wiederaufladen der Batterie leicht chemische Bindungen bilden und aufbrechen.

Wenn sich Elektronen außerhalb der Batterie bewegen, bewegen sich Lithiumionen innerhalb der Batterie, um das elektrische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Islam und Fischer, Chemical Society Reviews, 2014., CC BY

Diese chemischen Reaktionen sind im Gegensatz zur Bildung von Zinkoxid reversibel, wodurch die Elektronen und die Lithiumionen über viele Lade- und Entladezyklen hin und her fließen.

Dieser Prozess ist jedoch nicht 100% effizient - alle Batterien verlieren schließlich ihre Fähigkeit, Energie zu halten. Trotzdem war die Familie der Li-Ionen-Chemie stark genug, um die Batterietechnologie heute zu dominieren.