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Zukunftstechnologie Vier Fragen zur Akkutechnik

Ob im Smartphone oder im E-Mobil: Lithium-Ionen-Batterien bieten eine lange Lebensdauer, aber nur wenig Energiedichte. Neue Technologien sollen den Durchbruch bringen
Akku laden

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Ein Akku besteht aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode. Beide trennt der Elektrolyt. Beim Entladen gibt die Anode Elektronen ab, die durch den äußeren Stromkreis zur Kathode wandern – es fließt Strom. Als Ausgleich wandern positive Lithium-Ionen aus der Anode in den Elektrolyt und strömen zur Kathode, wo sie eingelagert werden.

Beim Laden wird von außen eine Spannung angelegt, wodurch wiederum an der Anode Elektronenüberschuss entsteht. Die Lithium-Ionen wandern nun von der Kathode zur Anode und lagern sich in der Anode ein.

Warum können Lithium-Ionen-Akkus brennen?

Das Metall Lithium, das leichteste unter den bei Raumtemperatur festen Elementen, ist sehr reaktionsfreudig und brennbar: Werden Lithium-Ionen-Akkus zu warm, neigen sie zum "thermischen Durchgehen". Das heißt, sie werden ohne Wärmezufuhr von außen immer heißer.

Die Grenztemperatur liegt je nach Akkutyp zwischen 150 und 250 Grad. Wird sie überschritten, reagiert das Lithium mit anderen Bestandteilen der Akkuzelle, wobei erneut Wärme entsteht. Ab 300 Grad schließlich beginnt der flüssige Elektrolyt zu brennen. Zum Schutz bedarf der Akku einer permanenten Temperaturüberwachung. Sie schaltet ihn automatisch ab, wird eine Betriebstemperatur von etwa 60 Grad überschritten.

Wie lange hält ein Lithium-Ionen-Akku?

Die Lebensdauer eines Akkus wird in Ladezyklen gemessen. Ein Ladezyklus entspicht dem vollständigen Nachladen der gesamten Akkukapazität. Wird ein Auto-Akku viermal von 75 auf 100 Prozent geladen, ergibt dies viermal 25 Prozent Ladung, also einen vollen Ladezyklus.

Hersteller geben für ihre Batterien heute meist eine Lebensdauer zwischen 500 und 1000 Ladezyklen in acht bis zehn Jahren an, je nach Bauart. Das entspricht bei E-Mobilen derzeit einer garantierten Laufleistung von 100 000 bis 200 000 Kilometern. Aber auch nach 1000 Zyklen lässt sich ein Akku noch bis auf etwa 80 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität aufladen. Langsames Laden und ein Akkustand zwischen 20 und 80 Prozent verlängern die Lebensdauer.

Welche Alternativen gibt es?

Um Energiedichte und Lebensdauer der Batterien weiter zu steigern, wird nach Alternativen zum herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku gesucht. Der Einsatz von Schwefel an der Kathode etwa soll höhere Energiedichten ermöglichen, an der Anode könnte Silizium eine Alternative zum Grafit darstellen.

Forscher der Universität Cambridge entwickelten eine Lithium-Luft-Batterie, die sogar mehr als 2000 Ladezyklen durchhielt und dabei die zehnfache Energiedichte herkömmlicher Akkus erreichte – das würde die Batterien in der praktischen Anwendung erheblich kleiner und leichter machen. Und ein Team der Universität von Kalifornien baute einen Akku, der in drei Monaten im Labor 200 000 Ladezyklen ohne Kapazitätsverlust durchlief.