E-Auto, E-Bike und E-Zigarette – Sie alle treibt Eines an: Der Lithium-Ionen-Akku

Wir sind schon lange im Zeitalter der Technik angekommen, immer höher und immer weiter soll es gehen. So wird uns bereits das Fahrradfahren und Zigaretten-Anzünden von der Elektronik abgenommen und bald tanken wir vielleicht nur noch Strom, anstatt Benzin. Dass das alles möglich ist, verdankt die Wissenschaft einem Akkumulator (kurz Akku): dem Lithium-Ionen-Akku. Er bringt E-Auto, E-Bike und E-Zigarette zum Laufen. Aber was macht diesen Akku so stark und was sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Lithium-Ionen-Akkus der E-Geräte?

Der Lithium-Ionen-Akku: der beste Akku?

Er ist seit langem in Handys und Laptops verbaut und wird seit geraumer Zeit auch für die neueren Technologien, wie zum Beispiel das Elektro-Auto, verwendet. Der Lithium-Ionen-Akku besteht aus einer negativen Graphit-Elektrode und einer positiven Lithium-Metalloxid-Elektrode (als Metalloxid z.B. Mangan, Nickel oder Kobalt). Die vereinfacht dargestellte Funktionsweise: Die Lithium-Ionen wandern beim Aufladen vom Plus- zum Minuspol und beim Entladen umgekehrt (Quelle).

Dass der Lithium-Ionen-Akku in der Wissenschaft derzeit so beliebt ist, hat seine Gründe: zum einen weist er eine sehr hohe Energiedichte auf (bis zu 190 kWh (Quelle)), welche die Energiekapazität und damit die längere Reichweite bestimmt, und zum anderen besteht bei ihm nicht die Gefahr des Memory-Effekts wie beispielsweise beim Nickel-Cadmium-Akku. Das heißt, dass der Lithium-Ionen-Akku nicht an Speicherkapazität verliert, wenn er vor kompletter Entladung wieder neu aufgeladen wird (eine genaue Erklärung des Effekts gibt es hier). Auch hat er die höchste Anzahl an möglichen Ladezyklen, verglichen zu anderen Akkutypen, und hält somit länger (Quelle).

Weitere Vorteile: Li-Ion-Akkus haben eine geringe Selbstentladung, ein relativ geringes Gewicht, gemessen an ihrer Energiedichte (außerdem: je leichter desto größer die Reichweite) und sind hochstromfest (Quelle). Aufgrund ihres Gewichts und der vielen Ladezyklen eignen sie sich beispielsweise ideal als Bauteil für Smartphones oder Laptops, eben all jenen Geräten, die besonders dank ihres geringen Gewichts attraktiv sein sollen.

Alle diese Faktoren sorgen dafür, dass der Lithium-Ionen-Akku der derzeit wohl beliebteste am Markt ist, schließlich verspricht er bei relativ geringer Masse die längste Reichweite. Das machen sich auch Elektro-Auto und Co. zu Nutze.

Elektro-Auto – trotz guten Akkus optimierungsfähig

Das Elektro-Auto ist schon seit längerer Zeit auf dem Markt, jedoch will es sich scheinbar noch nicht so recht durchsetzen. Neben viel Lob ist das umweltfreundliche Gefährt auch öfters harscher Kritik ausgesetzt. So behauptet zum Beispiel die Umweltorganisation Greenpeace, Elektro-Autos emittierten genauso viel CO2 wie herkömmliche Mittelklassewagen. Aller Kritik zum Trotz gilt das Elektroauto aber weiterhin als Umweltfahrzeug. Trotzdem scheint es immer noch genug Gründe zu geben, die für viele Menschen gegen den Kauf sprechen – und das hauptsächlich wegen des eingebauten Lithium-Ionen-Akkus, denn:

• Er ist teuer (beim E-Smart z.B. 6000-7000 Euro (Quelle))
• Er muss nach ein paar Jahren ausgetauscht werden (hält circa 700 bis 1000 Zyklen vor Leistungsabbau)
• Er benötigt circa 2,5 bis 6 Stunden Ladezeit, je nach Stromquelle (man kann also nicht „mal schnell“ tanken)(Quelle)
• Seine Reichweite beträgt unter 200 km (Urlaubsfahrten fallen damit flach)
• Viele haben anhand negativer Berichte Angst vor einem Brand des Akkus. Die Autobatterie im Elektroauto ist aber mit einer Schutzelektronik oder einem Batteriemanagement gesichert, sodass der Akku nicht überhitzen und feuerfangen kann. Zur Sicherheit vor dem Kauf darüber informieren!

Pluspunkt: Bei einem Verbrauch von 15 kWh und einer Reichweite von 200 km wiegt der Akku circa 250 kg (Quelle), was im Vergleich zu anderen Akkutypen sehr wenig ist.

Für die meisten unter uns stehen aber immer noch der Komfort und vor allem der Preis im Vordergrund. Und allein für den Akku ein paar Tausend hinlegen zu müssen, ist wirklich sehr viel. Jedoch ist der Lithium-Ionen-Akku durch seine guten Voraussetzungen momentan das Maximum, das bei einem Elektroauto herausgeholt werden kann. In Zukunft soll es dann aber doch noch höher und weiter gehen: Forscher der Technischen Universität in Nanyang, Singapur, haben bereits angekündigt, in zwei Jahren ein Li-Ion-Akku herauszubringen, der 20 Jahre hält und in 2 Minuten bis zu 70% lädt – das wäre zehnmal schneller als im Moment. Sollte sich diese Ankündigung wirklich bewahrheiten, wäre das eine Revolution für den Elektroauto-Markt. Auch andere Geräte, die auf den Lithium-Ionen-Akku angewiesen sind, würden davon profitieren.

Das E-Bike – schnell unterwegs mit Akkuleistung

Im Sektor der E-Geräte ist auch das Elektrofahrrad ganz vorne dabei. Und genau wie das Elektroauto funktionieren die meisten davon mit dem derzeit besten Akku: dem Lithium-Ionen-Akku. Denn der ist leicht und gleichzeitig stabil, sodass auch beim Elektrofahrrad mit ihm die höchste Reichweite erzielt werden kann. Wie aber auch schon beim E-Auto steigt der Preis des E-Bikes mit der Qualität des Akkus, der Lithium-Ionen-Akku ist somit das teuerste Bauteil des Geräts.

Der Akku eines E-Fahrrads…

• hat eine Reichweite von circa 100 km
• hält circa 5 Jahre bei guter Pflege, das entspricht circa 1000 Ladezyklen
• lädt in 2 bis 4 Stunden voll auf
• kostet circa 400 bis 800 Euro

Tipp: Öfter nachladen und nie komplett leerfahren! Das erhöht die Lebensdauer des Akkus.

Wer sich Sorgen um den Preis macht, liegt zwar nicht ganz falsch, jedoch ist ein Elektrofahrrad hauptsächlich in der Anschaffung teuer, eben aufgrund des Akkus. Die laufenden Kosten sind aber nicht teurer als bei einem normalen Fahrrad, was zum Beispiel die Wartung betrifft. Auch eine volle Ladung kostet ca. 10 Cent und ist damit billiger als einmal Duschen. (Quelle)

Im Unterschied zum Elektroauto ist der Akku des E-Bikes etwas kleiner (und damit billiger), was als logische Konsequenz aus dem geringeren Platzangebot hervorgeht. Außerdem muss der Fahrrad-Akku nicht so viel leisten, da das Gewicht des Fahrrads geringer als das des Autos ist. Generell gilt: Je größer der Akku desto mehr Leistung. Jedoch steigt mit der Größe auch das Gewicht.

Akku sogar in der E-Zigarette

Dass der Lithium-Ionen-Akku ein echtes Allroundtalent ist, wird spätestens bei diesem Beispiel deutlich, denn man findet ihn sogar in der elektronischen Zigarette. Hier tritt er im Regelfall als ein getakteter Akku auf, das heißt, er behält seine konstante Leistung bis zum Ende.

Um herauszufinden, welche Funktion der Akku im Inneren der Zigarette hat, muss man sich zuerst die Zusammensetzung jener ansehen. Sie besteht aus einem Flüssigkeitsdepot, einem Verdampfer und natürlich dem Akku. Aktiviert werden die Zigaretten entweder durch einen Zug oder manuell per Druckknopf. Damit fängt der Verdampfer an, die Flüssigkeit zu zerstäuben und zu verdampfen (nicht zu verbrennen!), sodass dem Raucher das Gefühl von echtem Zigarettenrauch „vorgegaukelt“ wird. Genau betrachtet ist es aber nur Dampf, der aber, wie auch bei der normalen Zigarette, (je nach Flüssigkeit) Nikotin enthält. (Quelle)

Der Akku sorgt nun dafür, dass Raucher eine gewisse Zeit lang Freude mit ihrer E-Zigarette haben. Er hält (je nach Gebrauch, Hersteller und Kapazität) eine Stunde bis zu einem Tag (Quelle), da er sehr winzig ist, um überhaupt in die Zigarette zu passen. Seine Ladezeit beträgt dabei mindestens 30 Minuten, kann aber je nach Akkukapazität variieren. (Quelle)

Der Lithium-Ionen-Akku ist derzeit der am häufigsten in E-Zigaretten verwendete und kann in zwei Formen verbaut sein, die jeweils andere Vor- und Nachteile haben: als Akkueinheit oder in einem Akkuträger.

Akkueinheit:

• ist fest mit dem Gerät verbunden
• wird über USB oder mit Netzladegerät direkt (ohne Zwischenstation) geladen à praktisch
• billiger als ein Akkuträger
• kleiner als ein Akkuträger
• hält 300 bis 600 Ladezyklen
• Nachteil: geringere Laufzeit

Akkuträger:

• Ladekapazität reicht länger als bei verbauten Akkus
• Möglichkeit zur Displayanzeige und regulierbarer Voltanzahl. Letztere zahlt sich aus, wenn verschiedenen Liquide bei unterschiedlichen Voltzahlen optimal verdampfen
• größer
• teurer

(Quelle)

Man sieht also: auch hier ist der Lithium-Ionen-Akku ideal, um den E-Zigaretten eine Höchstleitung zu garantieren. Natürlich sind Ladezyklen und Ladedauer viel geringer als bei Elektroauto und Elektrofahrrad, da er um einiges kleiner ist, jedoch lässt es sich mit einer Zigarettenform auch nicht anders vereinbaren. Außerdem bleibt die Zigarette dank des geringen Gewichts leicht und handlich.

Achtung! Die E-Zigarette ist kein Mittel, sich das Rauchen abzugewöhnen. Sie ist lediglich Nicht-Raucher-freundlicher, da sie Dampf anstatt Rauch produziert. Somit ist sie sogar in einigen Gaststätten erlaubt.

Zum Schluss ist festzustellen, dass die verschiedenen E-Geräte zwar meist eines gemeinsam haben, nämlich den Lithium-Ionen-Akku, dieser aber durch die unterschiedlichen Größen auch unterschiedlich lange Reichweiten hat und auch das Gewicht somit von ganz schwer bis ganz leicht variiert. Die Funktion hingegen ist bei allen gleich: Antrieb.

Dank seiner hohen Energiedichte also und damit der Möglichkeit, bei relativ geringem Gewicht lange Laufzeiten zu garantieren, bleibt der Lithium-Ionen-Akku in Sachen Leistung bislang wirklich ungeschlagen – verglichen zu anderen Akkutypen.

Einziger Kritikpunkt ist der Preis, der vor allem für Fahrrad- und Autoakkumulatoren momentan noch recht hoch liegt.

Und in Bezug auf Elektroauto und Elektrofahrrad bleibt nun zu hoffen, dass sich die Gerüchte um den Super-Akku bewahrheiten, denn damit könnten viele Probleme, die hauptsächlich Reichweite und Ladezeit betreffen, gelöst werden.

Akkus auf einen Blick

Die angegeben Maße sind alle Ungefähr-Angaben und können je nach Hersteller variieren.