Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 28.01.11


Der Lithium-Ionen-Akku

Vortrag von Florian Spieler im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 10/11


Gliederung:

Gefahren ausgereifter Technik

1 Die Lithium-Ionen-Zelle von außen nach innen

2 Die Lithium-Ionen-Zelle chemisch betrachtet
   2.1 Laden/Entladen
   2.2 Die Kohlenstoff-Elektrode
   2.3 Die (Li)xMO2-Elektrode
   2.4 Überhitzung/Überladung

3 Einsatzmöglichkeiten der Li-Ionen-Akku-Technik

4 Animationen
   4.1 Entladen
   4.2 Laden
   4.3 Überhitzung
   4.4 Überladung

Zusammenfassung

Literatur


Gefahren ausgereifter Technik

Experiment im Film: Überhitzung eines Lithium-Ionen-Akkus.

Lithium-Ionen-Akku-Movie (sollte Ihr Player die Datei nicht abspielen: VLC Media-Player)

Zeitbedarf: 20 Minuten.
Ziel: Erhitzen eines Lithium-Ionen-Akkus mit Beobachtung der Reaktion.
Material: Heizplatte, Kupferblech, Lithium-Ionen-Akku (entladen!), Infrarot-Thermometer, Abzug
Durchführung: Das Kupferblech wird an den Seiten hochgebogen, so dass es eine Art Schale ergibt. Diese wird dann auf die Heizplatte (unter dem Abzug) gestellt, die auf 90°C aufgeheizt wird. Die Temperatur kann mit dem Infrarot-Thermometer überprüft werden. Hat man die 90°C erreicht, legt man den Lithium-Ionen-Akku in die Kupferschale.
Beobachtung: Nach etwa sieben Minuten beginnt sich der Akku zu wölben. Nach zehn Minuten bildet sich Rauch und nach etwa 13 Minuten beginnt der Akku zu brennen.
Deutung: Der Separator zwischen Kathoden- und Anodenraum ist geschmolzen. Es kommt zur Kurzschlussreaktion, die einen Brand des Akkus zur Folge hat.
Entsorgung: Batterieentsorgung nach vollständiger Abkühlung.
Quelle: Eigenkonzeption.

1 Die Lithium-Ionen-Zelle von außen nach innen

Der Lithium-Ionen-Akku besteht, von außen nach innen, aus einer Kunststoffummantelung, die eine lithiumstabile Elektrolytlösung, die entweder ein aprotisches Lösungsmittel oder ein Polymer ist, umschließt. Als Transfermittel für die Li+-Ionen werden zusätzlich Leitsalze (z. B. LiClO4 oder LiPF6) benötigt.1


Abb. 1: Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

Als Separator zwischen dem Kathoden- und dem Anodenraum diente früher ein Gewebe aus Papier oder Stoff. Heutzutage wird eine keramikbeschichtete Membran verwendet. Die erste Elektrode ist aus einer Schichtstruktur des Typs (Li)xMO2 (mit M = Co4+(-x), Ni4+(-x), Mn4+(-x)), bei der sich O–M–O–Li–O-Schichten abwechseln. [4] Diese Struktur kann  reversibel Li+-Ionen einlagern.


Abb. 2: Elektrode 1: (Li)xMO2

Die zweite Elektrode bezeichnet man als "Wirtsgitter". Sie kann aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein. Zu nennen sind dabei nanokristallines, amorphes Silizium, Lithium-Titan-Oxide (Li4Ti5O12), Lithium-Aluminium (LiAl) und Lithium-Zinn (Li22Sn5). Das am häufigsten verwendete Material ist allerdings Graphit (LiC6)3.Dabei findet beim Einlagern von Li, dem Ladevorgang, die Reaktion

Li+ + e- ---> Li

 beim Auslagern, dem Entladevorgang die Reaktion

Li ---> Li+ + e-

statt. Egal um welches Wirtsgittermaterial es sich handelt, die Einlagerung von Lithium wird immer als "Intercalation" bezeichnet.4


Abb. 3: Elektrode 2: Graphit-Wirtsgitter (LiC6)


2 Die Lithium-Ionen-Zelle chemisch betrachtet

2.1 Laden/Entladen

Der Lade- bzw. Entladevorgang kann als Animation unter 4.1 Entladen bzw. 4.2 Laden abgerufen werden.

2.2 Die Kohlenstoff-Elektrode

An der Kohlenstoffelektrode herrscht das folgende chemische Gleichgewicht vor:

2.3 Die (Li)xMO2-Elektrode

An der (Li)xMO2-Elektrode liegt das folgende chemische Gleichgewicht vor:

Zwischen den beiden Elektroden findet also ein reversibler Austausch von Lithium-Ionen statt.3

2.4 Überhitzung/Überladung

Bei der Überhitzung kommt es, aufgrund der extern zugeführten Wärmeenergie, zum Schmelzen des Separators. Dies führt zu einem Kurzschluss zwischen dem Kathoden- und dem Anodenraum und kann das Entzünden des Akkus zur Folge haben. Als Animation ist der Ablauf unter 4.3 Überhitzung zu betrachten. Spricht man bei einem Lithiuim-Ionen-Akku von "Überladung", so basiert das auf den folgenden chemischen Prozessen: Es kommt zur Ablagerung von metallischem Lithium an der Graphit-Elektrode. Dadurch wird die MO2-Elektrode zum oxidierenden Element. Die Übergangsmetalle werden in eine Oxidationsstufe nahe +4 gesetzt, welches zum Stabilitätsverlust der Zelle führt. Diese beginnt sich aufzuheizen, es kann zum Entzünden kommen (Animation: 4.4 Überladung).


3 Einsatzmöglichkeiten der Li-Ionen-Akku-Technik

Die Lithium-Ionen-Akku-Technologie ist die am häufigsten verbreitete Akkutechnologie weltweit. Mehr als 98% aller Geräte mit Akkutechnologie enthalten einen Lithium-Ionen-Akku.2 Von der Digitalkamera, über Handy, Laptop bis hin zum Auto, die Technologie findet sich auf einem breiten Anwendungsgebiet wieder. Es stellt sich die Frage: Warum? Lithium-Ionen-Akkus haben zum einen keinen Memory-Effekt. Das bedeutet, dass man sie vor dem erneuten Laden nicht immer vollständig entladen muss, da es, wie bei alten Nickel-Cadmium-Akkus, sonst zur Reduktion der Leistung und Lebensdauer kommen würde. Des Weiteren liegt ihre Nennspannung höher als die der herkömmlichen Akkumulatoren. Während alte Nickel-Cadmium-Akkus eine Nennspannung von 1,2 Volt aufweisen, liegt sie bei Lithium-Ionen-Akkus bei 3,7 Volt.8 Eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte runden die Vorteilspalette ab.7 Der Film, der eingangs angesehen werden kann, muss, genauso wie die Szenarien "Überhitzung" und "Überladung" an dieser Stelle allerdings relativiert werden. Durch die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akku-Technik können diese als extrem sicher bezeichnet werden. Durch die Integration eines internen Überspannungsschutzes ist die Überladung nicht mehr möglich. Der Aufbau des Separators aus einer keramikbeschichteten Membran verhindert zudem die Gefahr der Überhitzung. Temperaturen, die dazu nötig wären, können beim alltäglichen Umgang mit Technologie, welche mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben wird, nicht erreicht werden.6


4 Animationen

4.1 Entladen, ppsx
4.2 Laden, ppsx
4.3 Überhitzung, ppsx
4.4 Überladung, ppsx

Zusammenfassung

Es lässt sich also sagen, dass es sich bei einem Lithium-Ionen-Akku um viel Chemie auf wenig Raum handelt. Die Anwendungsbereiche sind groß. Schon jetzt reichen sie vom Handy bis hin zum Automobil. Der Lithium-Ionen-Akku kann deshalb als momentaner Maßstab der Akkutechnik bezeichnet werden. Nicht zuletzt durch die Tatsache, dass er in mittlerweile 98% der Geräte mit Akkutechnologie verwendet wird. Seine Bedeutung wird auch in der absehbaren Zukunft, vor allem in der Automobilindustrie, noch weiter zunehmen.5


Literatur:

  1. Janek, J. et al. (2008): In: Chemie unserer Zeit 2008 (2), 80-90.
  2. Masaki Yoshido, Hrsg. (2009): Lithium-Ion Batteries. Science and Technologies. New  York: Springer.
  3. Riedel, E. (2004): Anorganische Chemie: Berlin: de Gruyter.
  4. Wiberg, N., Holleman, A. (2007): Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Berlin: de Gruyter.
  5. http://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator, [18.11.2010].
  6. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0810281.htm , [18.11.2010].
  7. http://www.heise.de/newsticker/meldung/Mehr-Energiedichte-fuer-Lithium-Ionen-Akkus-900422.html , [18.11.2010].
  8. http://www.apple.de , [18.11.2010].

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 28.01.11