Bei wiederaufladbaren Batterien, sogenannten Akkumulatoren (kurz: Akkus), wird die abgelaufene chemische Reaktion wieder rückgängig gemacht, indem man mit einem Ladegerät elektrischen Strom durch sie fließen lässt. Moderne elektronische Geräte (Handy, Laptop, Digitalkamera) benötigen leistungsfähige Akkus. Daher wird – gerade in Hinblick auf das Elektroauto – intensiv an der Entwicklung neuer Akkus gearbeitet. Lithium-Ionen-Akkus speichern derzeit mehr elektrische Energie als andere Akkus gleicher Masse. Akkus sollen nachhaltig, umweltfreundlich, kostengünstig und zudem hochleistungsfähig sein. Lithium-Polymer-Akkus (LiPo) enthalten den Elektrolyt als Kunststofffolie, auch die Elektroden befinden sich als dünne Schichten auf Folien. In vielen Lagen aufgewickelt und in Gehäusen geschützt werden sie in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Diese reichen von der Medizin, der Sensorik bis zur intelligenten Kleidung (82.1), vom Elektrofahrrad bis zum Elektroauto, u. s. w. Akkus auf Polymerbasis haben gegenüber Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigem Elektrolyt zahlreiche Vorteile. Die Herstellung ist energieeffizienter, der CO2-Fußabdruck wesentlich geringer und sie sind allgemein weniger entflammbar. Eine große Rolle beim Einsatz von Akkus spielt die Energiedichte („nutzbare“ Energie pro Masse oder Volumen). Die besten Lithium-Akkus können pro Kilogramm ihrer Masse etwa bis zu 0,2 kWh an elektrischer Energie speichern. Dies zeigt ein Problem beim Einsatz in Fahrzeugen: Benzin bzw. Dieselkraftstoff enthalten an chemischer Energie ca. 11 kWh pro kg, das Fünfzigfache der in einem gleich schweren Li-Akku gespeicherten Energie. Letztendlich geht es darum, wie viel Energie pro Masse oder pro Volumen genutzt werden kann – also um die Energiedichte –, um Elektroautos als effiziente, leistbare und umweltfreundlichere Alternative zu Autos mit Verbrennungsmotoren zu etablieren. 82.1 Beheizbare Handschuhe enthalten Lithium-Polymer-Akkus 82.2 Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus Laden Entladen Elektrolyt LithiumMetalloxid Lithium-Ion poröse Membran Grafit mit Lithium-Ionen Kathode + Anode – 82.3 Bildliche Darstellung einer Zelle eines Lithium-Ionen-Akkus, wenn man sie „auseinanderwickeln“ würde. Die Anode besteht meist aus Grafit, die Kathode beispielsweise aus Lithium-Metalloxid (Verbindung aus Metall und Sauerstoff), das Anteile von Nickel, Mangan und Kobalt enthält. Der Lithium-Ionen-Akku als Beispiel für wiederaufladbare Zellen Wenn eine normale galvanische Zelle entladen ist, wird sie wertlos. Akkumulatoren dagegen sind wieder aufladbar. Wie funktioniert das? Am Modell eines Lithium-Ionen-Akkus soll die Funktionsweise erklärt werden. Der Aufbau (82.2) entspricht dem Aufbau einer Alkali-Mangan-Zelle. Jeder Lithium-Ionen-Akku besteht aus einer oder mehreren Zellen. Jede Zelle enthält zwei Elektroden (Pluspol und Minuspol). Als negative Elektrode wird Grafit eingesetzt. Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Metalloxiden. Die beiden Elektroden sind in eine nicht-wässrige Elektrolytlösung getaucht, die oft aus einer Lithiumsalzlösung besteht. Der Elektrolyt ermöglicht die Bewegung der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, trennt eine mikroporöse Membran (Separator) die Elektroden und ermöglicht gleichzeitig den Durchfluss der positiven Lithium-Ionen (82.3). Schließt man nun ein Netzgerät an, so kann der Akku geladen werden. Die positiv geladenen Lithium-Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten von der positiven zur negativen Elektrode und lagern sich dort zwischen den Molekülebenen des Grafits ab. Ist die maximal mögliche Anzahl der Lithium-Ionen im Grafit eingelagert, ist der Akku vollständig geladen. Das Netzgerät liefert also die Energie für die chemische Reaktion beim Laden. Ist der Akku geladen, wird das Netzgerät ausgeschaltet. Da sich im Elektrolyten Elektroden aus unterschiedlichem Material befinden, werden sie zu Polen einer galvanischen Zelle. Wenn man sie durch einen Leiter verbindet, fließt Strom. An den Elektroden laufen nun die chemischen Reaktionen von selbst in umgekehrter Richtung ab. Beim Entladen des Akkus wandern die Lithium-Ionen durch die Membran zurück in die positive Elektrode. Die zuvor gespeicherte chemische Energie kann als elektrische Energie zurückgewonnen und zum Betrieb von Elektrogeräten genutzt werden. Werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet – jeweils ein positiver wird mit einem negativen Pol verbunden – erhält man eine Batterie. Jede Zelle trägt Energie für den Ladungstransport bei, daher addieren sich die Zellspannungen. Prinzipiell könnten Akkus beliebig oft entladen und geladen werden, in der Realität verlieren Akkus aber nach einer bestimmten Zeit an Leistungsfähigkeit. Dies hängt u. a. vom Material, vom Elektrolyt und von den Betriebsbedingungen ab. Wh (Wattstunden) und kWh (Kilowattstunden) sind Maßeinheiten für die Energie. Im Alltag ist die Einheit kWh gebräuchlicher, z.B. bei der Stromabrechnung. Bei Elektroautos wird die Leistung in kW angegeben (kann in PS umgerechnet werden) und die Akku-Kapazität in kWh. Neue Akkus von Elektroautos liegen im Bereich von 20– 100 kWh. 82 E-Lehre 1 Ladung und Spannung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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