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

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