Theoretische Grundlagen zu Lithium-Ionen und Lithium-Polymer Akkus
Theoretische Grundlagen zu Lithium-Ionen und Lithium-Polymer Akkus
Lithium-Ionen (Li-Ion) und Lithium-Polymer (Li-Po) Akkus sind moderne Energiespeichertechnologien, die aufgrund ihrer hohen Energiedichte, geringen Selbstentladung und langen Lebensdauer in zahlreichen Anwendungen wie Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeugen und Powerbanks verwendet werden. Diese Akkutechnologien haben die herkömmlichen Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) Akkus weitgehend ersetzt, da sie eine bessere Leistung und Effizienz bieten.
Aufbau und Funktionsweise
Lithium-Ionen Akkus (Li-Ion)
Ein Lithium-Ionen Akku besteht aus mehreren wesentlichen Komponenten:
Kathode (positive Elektrode): Besteht typischerweise aus Lithium-Metalloxiden wie Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂), Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC).
Anode (negative Elektrode): Besteht meist aus Graphit, das Lithium-Ionen während des Ladevorgangs aufnimmt.
Elektrolyt: Eine organische Flüssigkeit oder ein Gel, das Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode transportiert.
Separator: Trennt die Elektroden und verhindert Kurzschlüsse, während er den Ionenaustausch ermöglicht.
Funktionsweise:
Beim Laden bewegen sich Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort in der Graphitstruktur ein.
Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück zur Kathode, wodurch elektrische Energie freigesetzt wird.
Lithium-Polymer Akkus (Li-Po)
Li-Po Akkus basieren auf der gleichen chemischen Reaktion wie Li-Ion Akkus, verwenden jedoch einen festen oder gelartigen Polymer-Elektrolyten anstelle einer flüssigen Lösung. Die wichtigsten Unterschiede zu Li-Ion Akkus sind:
Flexibilität: Li-Po Akkus können in verschiedenen Formen hergestellt werden, was sie für kompakte und flache Designs wie Drohnen oder Smartwatches geeignet macht.
Gewicht: Sie sind oft leichter als Li-Ion Akkus mit ähnlicher Kapazität.
Sicherheit: Obwohl sie eine geringere Energiedichte haben, sind sie weniger anfällig für Leckagen und können stabiler sein.
Funktionsweise:
Die chemischen Prozesse sind identisch zu Li-Ion Akkus, aber der Festelektrolyt macht sie robuster gegen mechanische Beschädigungen.
| Eigenschaft | Li-Ion Akku | Li-Po Akku |
|---|---|---|
| Energiedichte | Höher (mehr Kapazität) | Geringer als Li-Ion |
| Gewicht | Etwas schwerer | Leichter |
| Formfaktor | Meist zylindrisch oder prismatisch | Flexible Bauformen möglich |
| Lebensdauer | 500-1000 Ladezyklen | 300-500 Ladezyklen |
| Selbstentladung | Gering | Sehr gering |
| Sicherheit | Risiko von Überhitzung (Thermal Runaway) | Geringeres Risiko, aber empfindlich gegenüber mechanischer Belastung |
Vor- und Nachteile von Li-Ion und Li-Po Akkus
Vorteile von Li-Ion Akkus:
+ Höhere Energiedichte, daher mehr Kapazität für längere Laufzeiten.
+ Längere Lebensdauer im Vergleich zu Li-Po Akkus.
+ Geringere Kosten pro gespeicherter Energieeinheit.
Nachteile von Li-Ion Akkus:
- Feste Gehäuseform, weniger flexibel in der Bauweise.
- Höheres Risiko von Überhitzung und Brandgefahr bei mechanischer Beschädigung.
Vorteile von Li-Po Akkus:
+ Flexible Bauweise, ideal für kompakte oder maßgeschneiderte Anwendungen.
+ Sicherer als Li-Ion Akkus, da kein flüssiger Elektrolyt auslaufen kann.
+ Geringeres Gewicht, was sie für mobile Anwendungen attraktiv macht.
Nachteile von Li-Po Akkus:
- Kürzere Lebensdauer, da sie schneller an Kapazität verlieren.
- Teurer in der Herstellung und schwerer zu recyceln.
Sicherheitsaspekte und Recycling
Sicherheitsmaßnahmen
Da Lithium-basierte Akkus empfindlich auf Überladung, Tiefentladung und mechanische Beschädigung reagieren, sind Schutzschaltungen notwendig, um Risiken zu minimieren.
Batteriemanagementsysteme (BMS): Überwachen Spannung, Temperatur und Ladezustand, um Schäden zu vermeiden.
Sicherheitsabschaltungen: Bei Überladung oder Kurzschluss trennen Schutzmechanismen die Batterie vom Stromkreis.
Lagerung: Akkus sollten trocken und bei moderaten Temperaturen gelagert werden, um Kapazitätsverlust zu vermeiden.
Recycling und Umweltaspekte
Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus enthalten wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt und Kupfer, die durch Recycling zurückgewonnen werden können. Recycling ist essenziell, da:
Rohstoffe knapp und teuer sind.
Falsch entsorgte Akkus umweltschädlich sind.
Recycling den CO₂-Fußabdruck verringert und nachhaltige Ressourcennutzung ermöglicht.
Recyclingprozess:
Sammlung: Altbatterien werden in speziellen Sammelstellen abgegeben.
Demontage: Mechanische Trennung der Batteriekomponenten.
Thermische und chemische Prozesse: Rückgewinnung von Metallen und Wiederverwertung in neuen Batterien.
Durch die Wiederverwendung von Akkus aus Einweg-E-Zigaretten trägt unser Projekt aktiv zur Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft bei.