Lithium-Ionen-Akku – 10 spannende Fakten zur Herstellung des Energiespeichers

Ob in Smartphones, Notebooks oder Werkzeugen: Akkus sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Den Siegeszug mobiler Geräte ermöglicht, hat die Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie, die künftig sogar unsere Autos antreiben soll. Aber kennen Sie die Komponenten einer jeden Lithium-Ionen-Zelle? Wussten Sie schon, dass die Herstellung eines Akkus in einer Salzwüste in Südamerika beginnt? Wir präsentieren Ihnen zehn spannende Fakten zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkus.

Lithium-Ionen-Akku

Der Lithium-Ionen-Akku im Aufbau und in seiner Funktion im Überblick

Ohne ihn wäre der Durchbruch mobiler Geräte nicht möglich gewesen: Der Lithium-Ionen-Akku mit seiner hohen Energiedichte, dem geringen Gewicht und der recht preiswerten Herstellung. Bald sollen der Lithium-Ionen-Akku und seine Weiterentwicklungen sogar uns alle, verbaut im Elektroauto, mobil machen. Mehr Informationen zu ihrer Verwendung finden Sie in unserem Magazinartikel. Hier präsentieren wir Ihnen 10 spannende Fakten zur Herstellung der Energiespeicher!

Fakt 1: Jede Lithium-Ionen-Zelle hat vier Grundkomponenten

Die vier Komponenten jeder Lithium-Ionen-Zelle:

  • Kathode: positive Lithium-Metalloxid-Elektrode
  • Anode: negative Graphit-Elektrode
  • Separator
  • Elektrolyt
Der schematische Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle, by Cepheiden licensed under Creative Commons licence CC BY 2.0.

 

Ein Lithium-Ionen-Akku ist schichtartig aus einer oder mehreren Batteriezellen aufgebaut. Die zwei zentralen Schichten einer Lithium-Ionen-Zelle sind die negative Graphit-Elektrode sowie die positive Lithium-Metalloxid-Elektrode. Außerdem gibt es noch einen Separator, der beide Schichten trennt und einen nicht-wässrigen, aber flüssigem Elektrolyt, der die Ionen leitet.

Die Kathode befindet sich zur Ableitung des Stroms auf einer elektrisch gut leitfähigen Aluminiumfolie, die Anode auf einer Kupferfolie. Beim Ladevorgang werden Plus- und Minuspol durch einen Metallkontakt verbunden und eine elektrische Spannung angelegt.

Dadurch lösen sich nun positive Lithium-Ionen aus dem Lithium-Metalloxid und wandern zur Anode. Gleichzeitig wandern negative Elektronen von der Kathode über den Metallkontakt zur negativen Elektrode und gleichen die positive Ladung der Lithium-Ionen wieder aus. Beim Entladen ist der Vorgang umgekehrt:

Fakt 2: Die Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkus ist eine globale Angelegenheit

Lithium - Globale Anwendung

*Lithium wird neben Chile auch in Australien, Argentinien, Bolivien und Tibet in großen Mengen abgebaut

**Graphit wird nicht nur in Indien, sondern auch in China, Nordkorea, Kanada, Madagaskar, Simbabwe, Mexiko und Brasilien in großen Mengen gewonnen.

Fakt 3: Das Gros des weltweit geförderten Lithiums stammt aus Südamerika

Lithium aus Bolivien - iStock xeni4ka
Im Salar de Uyuni in Bolivien befindet sich eine der größten Lithium-Reserven der Welt © iStock.com/xeni4ka

Lithium kommt aufgrund seiner großen Reaktivität in der Natur nur gebunden in Form von Salzen vor. Abgebaut wird das leichteste Metall der Erde auf der ganzen Welt: In Tibet, Australien, Nevada – vor allem aber in Südamerika. Voraussetzung für das Vorhandensein von Lithium ist (frühere) vulkanische Aktivität – nicht jedes Salz enthält also Lithium. Gut 70% der Lithiumvorkommen befinden sich in den südamerikanischen Salzseen in Bolivien, Argentinien und Chile. (Quelle)

In Bolivien liegt mit dem Salar de Uyuni der größte Salzsee der Welt. Über rund 10.000 Quadratkilometern erstreckt sich der See, in dem auch Lithium zu finden ist. Die von der Sonne getrockneten Lithium-Reserven werden hier unter harten Bedingungen sogar noch in Handarbeit abgebaut und anschließend mit Lastern abtransportiert. In Zukunft will das arme Land massiv aufrüsten, um stärker vom Lithium-Boom – Elektroautos sei Dank – zu profitieren. (Quelle)

Lithiumgewinnung in Bolivien - iStock capraibex
Mühsame Handarbeit geht im armen Bolivien der Gewinnung des Lithiums voraus © iStock.com/capraibex

Gewaltige Lithium-Reserven befinden sich im Norden Chiles. Im Salar de Atacama, der in der Atacamawüste liegt, wird die Lithiumsole aus dem See zunächst mit Hilfe von Pumpen an die Oberfläche befördert. Noch ist die Sole nass – für die Weiterverarbeitung muss das Lithium allerdings trocken sein. Daher wird es in „Solarteiche“ gepumpt und dort von der Sonne getrocknet. Es kristallisiert und erreicht so nach 18 bis 24 Monaten in diesem Bad eine bis zu 60% höhere Konzentration.

Lithium ist der Namensgeber und das Grundelement der Lithium-Ionen-Akkus. Es wird aber nicht als reines Metall in die wiederaufladbaren Akkus als Kathode eingebaut, sondern in Form eines Lithium-Metalloxids.

Fakt 4: 27% der globalen Lithium-Produktion wird in der Akkuherstellung verwendet

Lithium wird in unterschiedlichen Formen in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt – sogar als Medikament bei der Behandlung von Depressionen. Mit 28% geht der größte Teil des weltweit geförderten Lithium in die Keramik- und Glasindustrie.

Mit 27% befindet sich die Batterien- und Akkuherstellung aber bereits auf dem zweiten Platz – Tendenz: steigend! (Quelle) Die Bezeichnung als das „weiße Gold der Anden“ kommt nicht von ungefähr. Der künftige Bedarf ist angesichts von Elektroautos gewaltig.

Anwendung Lithium
Die Verwendung von Lithium, Nachfrage 2011, by VincentSilvers licensed under Creative Commons licence CC BY 3.0

Fakt 5: Die Graphit-Nachfrage ist so hoch, dass in Deutschland eine Mine wieder eröffnet wurde

Graphit
Die Graphitnachfrage steigt in den letzten Jahren massiv an  © iStock.com/malven57

Neben dem Lithium-Metalloxid ist Graphit, das als Anode fungiert, das Grundelement der Lithium-Ionen-Zelle. Über 95% der weltweiten Graphit-Produktion stammen aus Indien, Kanada, Brasilien, Nordkorea, Rumänien und vor allem China. Die Volksrepublik belegt dabei vor Indien Rang eins. (Quelle)

Graphit wird bei der Tennisschläger-Herstellung, als Bleistiftminen oder auch als Verkleidung hoch erhitzbarer Industrieöfen eingesetzt. Der größte Teil der globalen Produktion geht allerdings in die Verarbeitung zu Elektroden – wie die negative Elektrode im Lithium-Ionen-Akku. Der Bedarf an dem Rohstoff steigt so sehr, dass sogar in Deutschland, in Kropfmühl, seit 2012 wieder Graphit abgebaut wird. (Quelle)

Für den Einsatz in Batterien und Akkus reicht das „gewöhnliche“ Industriegraphit nicht aus. Hier ist Graphit mit einer Reinheit von über 99,9% nötig. Erst durch zusätzliche Verkokungsprozesse wird dies erreicht. Dieses Graphit mit Batteriequalität wird dann an die Hersteller der Akku-Zellen geliefert, die fast alle in China ihren Sitz haben.

Fakt 6: Sand anstelle von Graphit erhöht die Akkulaufzeit deutlich

Quarzsand
Quarzhaltiger Sand bildet die Grundlage der zukunftsträchtigen Technologie © iStock.com/prill

In Zukunft könnte Graphit in der Akkuherstellung abgelöst werden. Bislang ist die Ladekapazität des Akkus dadurch begrenzt, dass das Graphit als Anode nicht so viele Lithium-Ionen aufnehmen kann.

Forscher haben die Akkulaufzeiten in ersten Versuchen verdreifachen können, indem sie statt Graphit Silizium verwenden. Gewonnen wird es aus gemahlenem Sand mit hohem Quarzanteil, Kochsalz und Magnesium. Problem bislang war, dass sich Silizium bei der Aufnahme der Lithium-Ionen ausdehnte. Die Verarbeitung des Stoffs zu Nanodrähten ist die Lösung der Forscher. Bis zur Marktreife dürften allerdings noch viele Jahre vergehen. (Quelle)

Fakt 7: Die Lithium-Elektrode ist dünner als ein Haar

In Batterien wird Lithium als Anode verwendet. Bei den wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus dagegen kommt als Kathode ein Lithiummetalloxid zum Einsatz. Das Metall kann Kobalt, Nickel oder Mangan sein.

Um das Lithium-Metalloxid zu gewinnen, wird das Lithium mit dem Metall in einem Drehrohrofen unter hoher Hitze oxidiert. Zusammen mit einem Bindemittelgemisch aus Polyvinylidenfluorid & N-Methyl-Pyrrolidon und Hilfsstoffen wie Karbon als elektrischer Leiter wird es mit hohen Drehzahlen maschinell zu einer homogenen Tinte vermischt.

Das Lithium wird auf eine Aluminiumfolie aufgebracht, die beim Kalandrieren haardünn gepresst wird © iStock/coddy
Das Lithium wird auf eine Aluminiumfolie aufgebracht, die beim Kalandrieren haardünn gepresst wird © iStock.com/coddy

Die fertige Elektrodenpaste kommt dann zur Beschichtungsanlage. Sie kann man sich wie einen Drucker vorstellen, der nun die Tinte gleichmäßig auf eine Aluminiumfolie aufträgt. Das Aluminium dient als Stromableiter. Dabei wird die Tinte getrocknet und das Bindemittel verdampft.

Im nächsten Schritt wird die Folie beim sogenannten Kalandrieren durch ein Walzensystem gepresst. Die Blätter sind danach dünner als ein Haar. Denn je dichter beschichtet und dünner die Elektrodenblätter sind, desto leistungsfähiger ist der spätere Akku.

Je nach Kapazität des Akkus schneiden die Maschinen im letzten Schritt passgenaue Elektroden mit der gewünschten Energiedichte aus.

Fakt 8: Der Separator ist ein Sandwich aus geschichteten Kunststoffen

Damit sich die Anode und Kathode nicht berühren und so einen Kurzschluss verursachen, sind sie durch ein poröses Kunststoffsandwich getrennt: der Separator. Dieser muss so durchlässig sein, dass die winzigen positiven Lithium-Ionen beim Laden des Akkus zur Anode wandern können.

Der Separator besteht meist aus einem Mischmasch durchlässiger Kunststoffe, den die Produzenten erhitzen, vermengen und trocknen.

Fakt 9: Die Einzelkomponenten werden in „Coffee-Bags“ Zusammengefügt

Die Komponenten einer Lithium-Ionen-Zelle in dem "Coffee-Bag"
Die Komponenten einer Lithium-Ionen-Zelle in dem „Coffee-Bag“ © Uni Siegen

Eine funktionstüchtige Akku-Zelle entsteht erst, wenn alle Komponenten zusammengefügt werden. Dabei werden die Anode und Kathode getrennt durch den Separator. Da die Ableiterfolien so dünn sind, bringen die Produzenten mit hochfrequentem Ultraschall noch einen Metallstreifen an diesen an. Diese sind stabiler und daher besser geeignet, um die Klemmen für die elektrische Spannung anzubringen.

Die so fast fertige Zelle wird in eine feuchtigkeitsundurchlässige Hülle eingebaut. Das können prismatische oder runde Hardcases sein, inzwischen verwenden die meisten Hersteller allerdings Pouch-Bag-Zellen, die wegen ihres Aussehens auch „Coffee-Bag-Zellen“ genannt werden.

Diese Hüllen bestehen in der Regel aus einer flexiblen Aluminiumfolie, in die die Zelle aus Kathode, Anode und Separator eingeschweißt wird. Auch der Elektrolyt aus Lösungsmitteln und dem Leitsalz wird hier erst der Zelle hinzugefügt. Erst jetzt können sich die Lithium-Ionen frei von einer Elektrode zur anderen Elektrode bewegen. In Prüflaboren überprüfen die Hersteller nun durch abwechselndes Ent- und Aufladen den Spannungsverlauf.

Fakt 10: Die Zellen-Hersteller sind nicht die Hersteller der Akku-Packs

Das fertige Akkupack
Ein fertiges Akkupack © iStock.com/bedo

Der finale Schritt zum fertigen Akku findet in anderen Firmen statt, die ebenfalls hauptsächlich in China sitzen. Diese kaufen die fertigen, einzelnen Zellen und verpacken sie nach Energiebedarf samt einem Managementsystem für die Batterien und den Kabeln in die notwendige Hülle.

Jetzt ist der Akkupack für das Smartphone, das Notebook oder eben das Elektroauto fertig, der nun von China seinen Weg in den weltweiten Handel findet – auch in unseren Shop!

Titelbild: ©iStock/JanakaMaharageDharmasena

10 Gedanken zu „Lithium-Ionen-Akku – 10 spannende Fakten zur Herstellung des Energiespeichers

  1. Ich bin begeisterte E-MAIL Bikerin und dennoch habe ich ein schlechtes Gewissen.
    1. Die Anfälligkeit der Akkus bzgl. Entladung bei Kälte, Lagerung und Steigungen!
    2. Gefahr der Explosion ( In den öffentlichen Verkehrsmitteln wird man nicht befördert!)
    3. Entsorgung…wo und wie viel wird es kosten.
    4. Ladezyklen…. Manche Akkus halten nicht einmal ein Jahr!

    5.Reichweite….ist wohl im Moment immer noch das größte Problem

    6. Ladezeiten….ohne Worte
    Man benötigt ein gutes Zeitmanagement und einen Termin einhalten bei Akkuversagen ist unmöglich. Erklären sie das mal einer Behörde.

    LG Sabine Wee

  2. Meiner Meinung nach findet ein regelrechtes „Lithium“-bashing“ statt, das mir ungerechtfertigt erscheint! Tatsache ist: ja, für Lithium wird viel Wasser benötigt. Wieviel pro kg Lithium konnte ich noch nicht rausfinden, aber: in einem typ. Auto Akku befinden sich ca 15kg vom Lithium. Man erhält dann ein Produkt das 10-15 Jahre halten kann und am Ende auch im Recycling landet.
    Hingegen: 1kg Rindfleisch braucht 15m³ Wasser und ist in 12h verdaut und weg – ein 1x Produkt. Gemüse, das in Spanien angebaut wird – eine Katastrophe genaugenommen, weil auch dort die Grundwasservorräte massiv ausgebeutet werden .
    Wer also gegen den (durchaus verbesserungswürdigen – keine Frage) Lithiumabbau aus Umweltschutzgründen ist, darf kein Fleisch mehr essen, keine Kaffee trinken (130l Wasser pro Tasse) – kein Gemüse aus Spanien, Agypten, Isreal etc. essen und viele andere ebenfalls.
    Im Verleich dazu, also was das Lithium für ein E.-Auto an Wasserbedarf in 10-15 Jahren erzeugt. vs dem, was man sonst so indirekt in dieser Zeit braucht, dann merkt man schnell: Man kümmert sich um einen winzigen Bruchteil eines Problems und ignoriert das große Ganze dabei völlig.
    Und von den Umweltschäden des „Einwegproduktes“ – Sprit, daß über 150.000km anfallen, will ich gar nicht erst anfangen (Stichworte Fracking, oder Nigeria).
    Ja, Lithium Abbau ist verbesserungswürdig aber verglichen mit dem, was sonst so in Realtion zu den anderen Produkten an Belastungen anfällt verdient dieser schon benahe den „blauen Engel“ – hier wurde das Wasser nämlich für ein langlebiges nachhaltiges Produkt verwendet !

    1. Sehr geehrter Herr Neubauer,
      in Ihrem Schreiben gehen Sie nur von der Produktion der Akkus aus.
      Aber es gibt noch die Entsorgung, die Kühlung eines verunfallten E-Autos siehe Walchensee in Österreich und da wiederum die Entsorgung des Wassers zur Kühlung des E-Autos. Es wird meiner Meinung nach der dritte Schritt vor dem ersten gemacht. Es müssen erstmal die bereits zur Zeit bestehenden Probleme gelöst werden. Z.B. das löschen eines brennenden E-Autos siehe hierzu wiederum Walchensee. Die Kosten zur Ausrüstung der Feuerwehren und auch die rechtliche Frage was die Feuerwehr nach einem Brand machen muss. Wer darf das Auto abtransportieren usw.
      Dazu möchte ich mal die Frage aufbringen, was erzähle ich einem z.B. 15 jährigem Kind in Afrika das mit einem Eimer auf dem Kopf 4-5 km laufen muss um Wasser für Ihre Familie zu holen?
      Eine Autobatterie verbraucht meines Wissens nach ca. 80 000 Liter Wasser in der Herstellung.

      1. Zu dem angeblichen Problem in Österreich, dass es so gar nicht gab:

        https://t3n.de/news/oesterreichischer-unfall-tesla-1225910/?fbclid=IwAR0JmU9JudLii7e8B3Zwxv9k9f-_VTdEOQ5z_NhBE_r0HaSng01OH1fo4A8

        Gehen wir mal davon aus, dass sie den Wasserverbrauch für ein Elektroauto-Batterie korrekt recherchiert haben. Ich konnte keine konkreten Zahlen finden. Ich konnte aber andere Zahlen finden:
        Für die Produktion von EINEM Kg Rindfleisch werden 15500 Liter Wasser verbraucht.
        Für eine solche Batterie, die ca. 10 Jahre im Auto hält und dann noch mal 10 bis 20 Jahre in einer Pufferspeicheranlage für Photovoltaik und DANN fast vollständig recycled werden kann, wird so viel Wasser verbraucht, wie für die Herstellung von 5,2 Kg Rindfleisch – ca. 26 Steaks – die nach dem Verzehr WEG sind und höchstens als „Dünger“ wiederverwertet werden können.

        Und ich kenne andere Rechnungen, die noch extremer sind. Der „hohe“ Wasserverbrauch kommt ja hauptsächlich aus der Lithium-Gewinnung in Chile. Aber Australien, liefert inzwischen mehr Lithium aus Bergbau (ohne Wasserverdunstung).

        Das Kobalt, das von Kindern abgebaut wird, wird von den Batterieherstellern vermutlich gar nicht gekauft. Macht auch weniger als 20% des abgebauten Kobalts aus, von dem eh nicht mehr so viel und in Zukunft vermutlich gar nichts mehr für Autobatterien benötigt wird.

        Dafür steigt die Umweltverschmutzung für Kraftstoffe in unglaubliche Dimensionen:

        https://www.planet-wissen.de/technik/energie/erdoel/pwieoelsandabbauinkanada100.html

        Ein Liter Benzin enthält knapp 9 kWh Energie. Davon werden aber nur ca. 1/3 (als 3) in Fortbewegung umgesetzt, der Rest in Wärme. Für diesen EINEN Liter werden 7 kWh Energie (davon 1,5 kWh Strom nur in der Raffinerie) benötigt für die Ölförderung, Transport und Produktion bis in den Tank des Endnutzers.
        Eine Effizienz von -230%.
        Schlechter geht es echt nicht.

    2. Sehr geehrter Herr Neubauer,
      ihre Zahlen bezüglich Lebensmittelproduktion kann ich nicht nachvollziehen. Selbst wenn sie stimmen – so wird das Wasser in langen Prozessen entnommen und wieder zugeführt. Ein Kreislauf, in dem kaum etwas verloren geht. Bei der Lithium-Gewinnung werden Grundwasserspeicher lokal leergepumpt (der Grundwasserspiegel gesenkt) und in einem See verdunstet. Dieses Wasser ist lokal verloren. Was zurückbleibt, ist keine Pflanzenwelt, wie in der Landwirtschaft (mit allen erdenklichen positiven Eigenschaften für das Klima), sondern eine Wüstenlandschaft, die sich so weit ausbreitet, wie die Grundwasserabsenkung eben wirkt. Mit Pflanzenwuchs ist da nicht mehr viel. Ihr Argumente erinnern mich an Ökofaschismus.

      1. Sehr geehrter Herr Engel,
        die Verdunstung von Lithium-Sole (kein Trinkwasser!) führt zu erhöhten Niederschlägen, die das lokale Mikroklima positiv beeinflussen. Die Menschen – und auch die karge Pflanzenwelt in der Wüste – wird nicht durch Grundwasser versorgt, sondern durch das Schmelzwasser der umliegenden Gletscher in den Bergen. Den Lithiumabbau für die Wasserknappheit in dieser Region verantwortlich zu machen, hat eher etwas – wenn Sie das Wort unbedingt benutzen möchten – mit Faschismus zu tun.

        1. Sehr geehrter Herr Drucker,
          entschuldigen sie, ich will nicht unhöfflich erscheinen, aber ich habe selten so einen Unsinn gelesen. Über die Problematik des Lithium-Abbaus hat es mittlerweile die Eine oder Andere Dokumentation gegeben – auch im öffentlich-rechtlichen Fernseh. Für die Lithium Gewinnung in Südamerika (Chile) werden täglich 21 Millionen (!) Liter Grundwasser aus den Salzebenen hochgepumpt, welches in riesigen Becken in der Hitze der Atacama-Wüste verdunsten. Durch das hochpumpen des Salzwasser fließt Grundwasser (Süßwasser) aus den Randgebieten nach, vermischt sich mit der Sole und geht damit verloren. Die indigene Bevölkerung am Rande der Salzebenen bewirtschaft, das ohnehin schon sehr karge Land, mit dem wenigen Wasser das sie u.a. aus Brunnen entnehmen. Seit dem Lithiumabbau leidet die Bevölkerung immer mehr unter einer zunehmenden Wasserknappheit. Auch Oasen am Rande der Salzebenen vertrocknen. Durch den Lithiumabbau wird der indigenen Bevölkerung ihre Lebensgrundlage geraubt.

  3. Ich hätte gerne mehr Info über Herstellung, Umweltschädlichkeit, sowie sinvolle Entsorgung von Autobatterien der E Autos in gedruckter Form. Ich würde gerne die Infos aausdrucken um
    mit Freunden das für oder gegen der E-Autos zu klären.

    1. Sehr geehrter Herr Jochum,

      leider haben wir keine Informationen über die von Ihnen genannten Themen in Bezug auf Autobatterien bzw Akkus für E-Autos, da dies nicht unser Geschäftsfeld ist und unsere Lieferanten keine Zulieferer für die Autoindustrie sind.

      Die Lithium-Artikel aus unserem Sortiment werden gemäß bestehender Normen und Sicherheitsanforderungen produziert.

      Akkus und Batterien, welche wir von unseren Kunden zur Entsorgung zurück nehmen, führen wir dem deutsche GRS-System zum umweltgerechten Recycling zu.

      Nähere Informationen zum Recycling von Akkus und Batterien finden Sie auf der entsprechenden Webseite http://www.grs-batterien.de

      Mit freundlichen Grüßen

      Ihr Akku.net Team

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