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Lithium-Ionen-Batterie : Ein Kraftpaket mit Zukunft

  • -Aktualisiert am

Ob für Notebooks, Camcorder oder wie hier fürs Handy: Lithium-Ionen-Akkus Bild: AP

Lange galten Lithium-Ionen-Akkus als gefährliche Energiebündel. Doch mittlerweile ist ihre Technik ausgereift und sie sind sicher genug. Ob für Handys oder Hybridautos - den Lithium-Ionen-Batterien wird ein gewaltiger Markt prognostiziert.

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          Lithium-Ionen-Batterien sind wahre Kraftbündel. Weil sie von allen Akkus die höchste Energiedichte liefern, sind sie mittlerweile Standard für die Stromversorgung von tragbaren Geräten wie Notebooks, Handys, Camcordern, Akkuschraubern oder anderen Produkten. In den vergangenen Monaten haben Lithium-Akkus jedoch auch andere Schlagzeilen gemacht - als brennende oder explodierende Objekte, die ihre gespeicherte Energie auf unkontrolliertem Wege freisetzten. Daraufhin haben diverse renommierte Notebook-Hersteller mehr als zehn Millionen Akkus wegen Brandgefahr zurückgerufen. Wie es insgesamt um die Sicherheit der Lithium-Akkus bestellt ist, die als Hochleistungsspeicher auch für andere Anwendungen in der Diskussion sind, beleuchtet jetzt Dominik Sollmann in den „Nachrichten aus der Chemie“ (Bd. 55, S. 979).

          Das Alkalimetall Lithium ist wie keine andere Substanz für den Bau eines Akkus geeignet. Denn es ist zum einen das leichteste Metall, zum anderen lassen sich mit ihm die höchsten Zellspannungen erreichen. Das silbrige Metall ist jedoch auch extrem reaktionsfreudig, weshalb man es nicht in reiner Form verwendet. Stattdessen besteht die Kathode eines Lithium-Akkus aus Graphit, die Anode aus Lithium-Kobalt-Oxid. Beide Substanzen sind schichtartig aufgebaut und können Lithium-Ionen einlagern. Beim Laden und Entladen wandern die Ionen zwischen den beiden durch einen Separator voneinander getrennten Elektroden hin und her. Dieser Vorgang wird durch einen Elektrolyten vermittelt. Für ihn haben sich wasserfreie Lithiumsalze in organischen Lösungsmitteln bewährt.

          Schutz vor fatalen Kettenreaktionen

          Die Akkus sind bis zu Temperaturen von etwa 60 Grad Celsius stabil. Werden sie heißer, etwa wegen äußerer Einflüsse wie einem blockierten Lüfter oder durch mechanische Schäden, aufgrund von Überladung oder Produktionsfehlern, kommt es zu einer fatalen Kettenreaktion. Der Temperaturanstieg löst chemische Reaktionen aus, die wiederum Wärme freisetzen. Der Akku geht quasi durch. Detailuntersuchungen zeigen, dass im geladenen, überhitzten Akku zuerst der Elektrolyt mit dem Graphit reagiert, dann mit dem Lithium-Kobalt-Oxid. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, der wiederum mit dem Elektrolyten reagiert. Aufhalten lässt sich dieses Unheil durch spezielle Bauelemente, die von den Batterieherstellern zunehmend verwendet werden. Darunter sind Berstventile oder -schlitze, die sich bei Druckanstieg öffnen und Gas oder Elektrolyt austreten lassen. Ein anderes Mittel sind sogenannte PTC-Widerstände, deren Leitfähigkeit bei steigender Temperatur abnimmt und die deshalb den Stromfluss verlangsamen können.

          Als weitere „Notbremse“ werden von den Herstellern zunehmend sogenannte Shutdown-Separatoren eingebaut. Sie enthalten den Kunststoff Polyethylen, der bei erhöhten Temperaturen schmilzt und die Poren der Membran verschließt, so dass keine Lithium-Ionen mehr passieren können. Im Laufe der Entwicklung sind die Bestandteile von Lithium-Batterien immer dünner geworden und weiter zusammengerückt. Generell ist der Separator damit zu einer Art Achillesferse des Akkus geworden. So wird darüber gemutmaßt, dass die zurückgezogenen Sony-Akkus durch einen Produktionsfehler kleine Metallsplitter enthielten, die durch die Membran hindurch Kurzschlüsse auslösten. Verhängnisvolle Schäden am Separator können aber auch bei der Verwendung eines defekten oder falschen Ladegerätes entstehen.

          Ein profitables Geschäft

          Zu hohe Spannungen führen dazu, dass die Lithium-Ionen nicht mehr rasch genug in die Elektroden eingelagert werden, sondern als Dendriten aufwachsen. Dabei können sie die Membran durchbohren und ebenfalls Kurzschlüsse auslösen. Eine hohe mechanische Stabilität und damit mehr Sicherheit verspricht ein Separator, den das Unternehmen Evonik (vormals Degussa) entwickelt hat und der unlängst für den Deutschen Zukunftspreis nominiert wurde. Der Separator enthält eine Folie aus Pet-Fasern, die von einer hauchdünnen Keramikschicht umhüllt, aber dennoch flexibel ist. Der Separator ist durch diese Beschichtung gut geschützt. Allerdings ist er selbst etwa 30 Mikrometer dick und damit doppelt so stark wie die derzeit verwendeten Separatoren. Deshalb zielen die Entwickler auf andere attraktive Anwendungsbereiche: Die Zellen sollen Hybridautos antreiben und zur Speicherung von Strom aus regenerativen Energiequellen dienen.

          Ob für Kleingeräte, in Hybridfahrzeugen oder als große stationäre Stromspeicher - den Lithium-Ionen-Batterien wird ein gewaltiger Markt prognostiziert. Bislang scheint vor allem Asien davon zu profitieren, wo sich die Fertigung konzentriert. Doch derzeit gewinnen diese Batterien auch hierzulande an Gewicht. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert eine entsprechende Forschungsinitiative, an der unter anderem zwölf Universitäten beteiligt sind. Und das Bundesforschungsministerium hat soeben gemeinsam mit der Industrie eine Innovationsallianz ins Leben gerufen: Insgesamt 420 Millionen Euro werden in den kommenden Jahren in die Aufholjagd gesteckt. Mit der Entwicklung neuer Materialien und Systeme, die den wachsenden Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Energiedichte und Lebensdauer genügen, könnte Deutschland wieder Anschluss finden und am wachsenden Markt partizipieren.

          Weitere Beiträge zum Thema Energie finden Sie auf unserer Internetseite www.faz.net/Energieforschung

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