Wie funktionieren Lithium-Ionen-Akkus?
Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus zwei Elektroden mit einer Art Tunnel- oder Schichtstruktur: aus einer Grafitelektrode (negativ) und einer Lithium-Metalloxid-Elektrode (positiv; Lithium-Nickeloxid, Lithium-Kobaltoxid). Die beiden Elektroden sind durch einen Separator (mikroporöser Kunststoff, etwa Polyethylen-Folie) getrennt, damit kein Kurzschluss entsteht. Dieser Separator ist für die Lithium-Ionen durchlässig. Ein weiterer Bestandteil ist ein Elektrolyt (flüssiges, wasserfreies Lösungsmittel, das allerdings brennbar ist), welches die Lithium-Ionen leitet. Beim Laden werden Minus- und Pluspol verbunden. Der positiven Elektrode werden Elektronen entzogen; dabei werden Lithium-Ionen freigesetzt. Diese wandern im Elektrolyten zur negativen Elektrode, wo sie zwischen den Molekülebenen des Grafits eingelagert werden. Durch die Verwendung sehr leichter Stoffe wie Lithium oder Kohlenstoff ergibt sich die hohe Energiedichte dieses Batterietyps. Beim Entladen werden Elektronen von der negativen Elektrode an den äußeren Stromkreis abgegeben und die beim Ladevorgang eingelagerten Li+-Ionen im Elektrolyten freigesetzt. Diese wandern zurück zur positiven Elektrode.
Weshalb sind diese Akkus so populär?
Geht es um die Energieversorgung tragbarer Kleingeräte, ist der Lithium-Ionen-Akku im Moment der Weisheit letzter Schluss. "Zu Lithium-Ionen-Akkus gibt es für mobile Kleinanwendungen wie Mobiltelefonen und Laptops kaum brauchbare Alternativen, und daran wird sich in den nächsten zehn bis 15 Jahren wenig ändern“, sagt Hermann Kronberger, Professor am Institut für Chemische Technologien und Analytik der Technischen Universität Wien. Sie bieten hohe Energiedichte auf wenig Raum und damit hohe Speicherkapazität bei geringem Gewicht. Im Zuge der Entwicklung dieses Typs wurden unterschiedliche Sicherheitsmaßnahmen (physikalisch und chemisch) eingebaut. Angesichts der hohen Stückzahlen der weltweit im Einsatz befindlichen Li-Ionen-Akkus gelten diese im Allgemeinen als betriebssicher. Weitere Vorteile: Die Technologie kann in unterschiedlichen Gehäuseformen eingesetzt werden, ist wartungsfrei und weist geringe Selbstentladung auf.
Weshalb können Akkus explodieren?
Anfällig sind Lithium-Ionen-Akkus vor allem für Wärmeeinwirkung von außen. Der Separator kann schmelzen, es kann zu einem Kurzschluss und einer Entzündung kommen. Außerdem enthalten aufladbare Lithium-Akkus eine organische Verbindung als Elektrolyt, die brennbar ist. Lithium reagiert heftig mit Wasser und Sauerstoff. "Generell ist es stets gefährlich, wenn hohe Energiemengen auf kleinem Raum vorhanden sind“, meint Kronberger. Zu Störungen in Akkus kann es außerdem kommen, wenn bei der Herstellung der Akkus Fehler passieren, wenn die gesamte Konstruktion im jeweiligen Endgerät nicht stimmt (etwa weil sich Zellen berühren) oder die Einwirkung von Schmutz (wie feiner Staub) nicht verhindert wird. Die Ursachen für die jüngsten Probleme bei Samsung-Geräten stehen noch nicht fest, die Akkus kamen offenbar nicht vom eigenen Tochterunternehmen, sondern von einem chinesischen Hersteller. Es gibt Spekulationen über zu schnelles Laden und Konstruktionsfehler.
Welche Auswirkungen haben die jüngsten Fälle?
Lithium-Ionen-Akkus kommen nicht nur in Handys, Tablets und Laptops zum Einsatz, sondern unter anderem auch in E-Zigaretten und Elektroautos. Bei E-Zigaretten gibt es einige Berichte über Explosionen, die zu Verletzungen im Gesicht führten. Allerdings dürfte der Großteil davon auf Verwendung unpassender Akkus zurückzuführen sein, die in Eigenregie mit anderen Bauteilen kombiniert wurden. Bei Elektroautos könnten brennende oder gar explodierende Akkus weit gefährlicher sein, allein der Größe wegen. Es werden von den Herstellern aber Sicherheitseinrichtungen eingebaut, etwa eine ständige Temperaturkontrolle.
Welche Rolle spielt Lithium?
Wichtigster Rohstoff für die Herstellung dieser Akkus ist Lithium, das vor allem in den Salzebenen Südamerikas vorkommt. Um das für die Weiterverarbeitung benötigte Lithiumkarbonat zu gewinnen, wird viel Wasser verwendet, weshalb die steigende Nachfrage Folgen für die Umwelt hat. "Lithium wird interessanter, weil es im Gegensatz zu früher auch in der E-Mobilität zum Einsatz kommt“, sagt Stefan Luidold vom Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montan-Universität Leoben. Die Preise sind in den vergangenen Jahren gestiegen, allerdings noch nicht stark. "Die Preisentwicklung wird davon abhängen, wie sich die E-Mobilität entwickelt“, sagt Luidold. Denkbar ist zudem ein verstärkter Einsatz als Energiespeicher. Die Nachfrage nach Lithium könnte auch bei einem weiteren Ausbau der alternativen Energie steigen, denn um die dafür typischen Schwankungen (etwa bei Windkraft und Solarenergie) ausgleichen zu können, braucht es solche Speicher.
Welche wirtschaftlichen Überlegungen spielen eine Rolle?
Leistungsfähig, aber günstig müssen Smartphones und Tablets sein - und dabei spielen die Akkus eine große Rolle. Kronberger: "Die Betriebssicherheit wird zum Teil konterkariert durch das Bestreben, immer höhere Leistungen und Speicherkapazitäten aus diesen Batterien herauszuholen.“ Doch je größer die gespeicherte Energie, desto größer das Gefährdungspotenzial. Ein weiterer Punkt: Akkus sind in vielen Smartphones fix verbaut, können also nicht selbst getauscht werden. Weil Li-Io-Akkus aber eine Lebensdauer von schätzungsweise maximal drei bis vier Jahren haben, ist mit ihrem Ableben gleich das gesamte Smartphone am Ende. Für die Hersteller sind fest verbaute Akkus somit eine gute Möglichkeit, Kunden zum Kauf neuer Produkte zu motivieren.
Gibt es Alternativen zum Li-Io-Akku?
Bei Mobilgeräten im Moment kaum. "Die Technologie ist generell als sicher einzustufen, es wird auch weiter an einer Verbesserung der Sicherheit geforscht“, sagt Atanaska Trifonova, Leiterin der Batterieforschung am AIT (Austrian Institute of Technology). Als Speicher in Elektroautos sind unter anderem auch Zink-Luft-Batterien und Lithium-Schwefel-Akkus möglich; ebenso wie Brennstoffzellen überwiegen aber derzeit die Nachteile, etwa was die Betriebsbedingungen betrifft. Am AIT wird an einem Magnesium-Ionen-Akku geforscht, der leichter als ein Li-Io-Akku wäre.
Ein Vorteil wäre das reiche Vorkommen von Magnesium in Österreich, außerdem ist dieser Rohstoff umweltfreundlicher. "Wir befinden uns aber noch in der Grundlagenforschung, eine Marktreife ist derzeit nicht absehbar“, sagt Trifonova.