Lithium-Ionen-Akku – das muss man wissen

Lithium-Ionen-Akku – das muss man wissen
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Mittlerweile handelt es sich beim Lithium-Ionen-Akku um eine durchgängig bekannte Bezeichnung. Es handelt sich um jenen Bestandteil eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, der es wie die Autobatterie eines Diesel oder Benziners, mit Energie versorgt. Es ist der Akku im Auto, den es aufzuladen gilt, wie beim Smartphone, Laptop oder Tablet – mobile, elektrisch betriebene Geräte. Dazu gehören nun auch Autos. Und Fahrräder. Also Fahrzeuge.

Inhaltsverzeichnis

Lithium-Ionen-Akku: Oder das Herz eines E-Fahrzeugs

Von allen Versuchen zur Schaffung eines Fahrzeugs mit einem ökologisch akzeptablen Fußabdruck setzten sich die Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit als Spitzenreiter durch. Sie sind die kleinsten ihrer Art und doch bringen sie die meiste „Power“ mit sich. So lautet auch die Beschreibung ihrer Optik und ihr Charakter: klein, kompakt und leistungsstark. Im Vergleich zu anderen Akkus haben sie nämlich die höchste Energiedichte. Diese wird vom sogenannten Kathodenmaterial bestimmt. Wer es genau wissen will: Es wird Kobaltoxid eingesetzt.

Es gibt, wie oben angesprochen, mehrere Typen der Akkumulatoren für Elektroautos, kurz „Akkus“, welche in wachsendem Ausmaß anstelle der guten, alten Auto-Batterie treten. Diejenigen, die auf Basis von Lithium-Verbindungen wirken, werden in der Fachsprache auch Lithium-Ionen-Sekundärbatterie genannt. Gemeint ist dabei dasselbe. Allerdings nur, wenn diese Verbindungen in allen Phasen wirken und nicht nur ergänzend eingesetzt werden. Der Lithium-Ionen Akku ist Gegenstand eines wachsenden Marktes – und nicht nur bei seiner Erzeugung. Sein Lebenszyklus ist auf eine viel längere Zeitspanne ausgerichtet als der Motor eines fossil betriebenen Fahrzeugs – hinsichtlich seiner benötigten Materialien sogar auf die Ewigkeit.

Auch unter den Lithium Ionen Akku selber gibt es mehrere Arten beim chemischen Aufbau. Unser Begriff ist daher lediglich ein Oberbegriff, der noch weitere Einteilungsmöglichkeiten bietet – diese jedoch sind für den Endverbraucher nicht direkt von Bedeutung. Durchsetzen konnten sich Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren, genannt Lithium-Polymer-Akku. Ihre Zellen sind hermetisch betrachtet verschlossen, womit ein von der Umgebung unabhängiger Betrieb gewährleistet wird. Von minus 20° bis plus 60° Celsius sind sie einsatzfähig. Da die Temperaturen aber hohen Einfluss auf ihre Lebensdauer haben, gibt es Dinge, die zu berücksichtigen sind.

Lithium-Ionen-Akku: Eine Neuheit?

Was vielleicht noch für den Einen oder Anderen utopisch klingen mag, ist längst in unseren Alltag eingezogen. Diese hohe Energie-Dichte, also vollste Leistung auf kleinstmöglichen Raum, hat sich bei mobilen Geräten längst etabliert. Und zwar bei den am meisten verwendeten Gebrauchsgegenständen im Alltag, den Smartphones, Tablets, Notebooks und Digitalkameras. Und nunmehr auch bei Kraftfahrzeugen. Kurz gesagt: Das Prinzip an sich ist alles andere als neu – neu ist aber der massenhafte Einsatz im Individualverkehr. Während in der Öffentlichkeit kaum Stimmen laut werden, welche den Bedarf von Rohstoffen beim Handy als umweltpolitisch inakzeptabel bezeichnen, wird das Elektroauto von der Öffentlichkeit genauestes beobachtet und auch kritisiert.

In den letzten Jahren wurden betreffend der Haltbarkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus viele Verbesserungen erzielt. Heute befinden sie sich, verglichen mit dem Zustand vor noch einigen Jahren, auf einem hohen Level. Ihre Kenndaten beziehen sich auf die Zellenspannung, Lade- und Entschlussspannung, Temperaturempfindlichkeit und maximalen Lade- und Entladestrom. Das hängt ab von den Elektrodenmaterialien und Elektrolyten.

Was sollte der Endverbraucher über die Wirkungsweise wissen?

Lithium-Ionen sind klein und beweglich. Sie sind die Ladungsträger im System. Als Lösungsmittel werden Elektrolyte eingesetzt. Wasser wäre aufgrund der Reaktionen nicht möglich. Ein Elektrolyt ist jedoch brennbar. Bei fehlerhaften Produkten kann es sich entzünden – das führte anfangs zu einigen Rückrufaktionen. Mittlerweile kann man solche Vorkommnisse aber genauso ausschließen wie bei anderen etablierten Produktarten, wie etwa einem Smartphone, auch.

Die genauen Abläufe müssen an dieser Stelle nicht geschildert werden. Gewisse Begriffe sollte man aber kennen. Etwa was hier mit einem „Zyklus“ gemeint ist: Er bezeichnet die Zeitspanne zwischen einer Aufladung und seiner vollständigen Entleerung.

Die ersten Lithium-Ionen-Akkus für Autos gaben freilich schon oft nach einem bis drei Jahren ihren Geist auf. Es konnte zwischenzeitlich festgestellt werden, dass es dabei nicht an der Anzahl der Zyklen lag, sondern schlicht an den Lagerbedingungen. Denn es entstehen sogenannte „parasitäre“ chemische Verbindungen auch bei der bloßen Lagerung. Aus ihnen ergibt sich ein schleichender Kapazitätsverlust.

Nach aktuellen Prognosen betreffend künftiger Produktionssteigerungen werden sich die aktuellen Zahlen bis 2029 verzehnfachen. Unbedarft dessen erscheint die Produktion gesichert – die erhöhte Nachfrage schlug sich auf den Preis nieder und der Markt für Lithium ist stark im Wachsen. Er öffnete aber auch anderen Branchen die Tür für verstärkte Expansionen – Lieferketten werden neu definiert, große Teile der Weltwirtschaft haben sich verändert.

Natürlich treten dabei immer wieder vorab noch unklare Faktoren auf, welche sich auf den Endpreis auswirken. So gab die Regierung in China zu neuen Durchbrüchen in der Produktion ein Statement ab, welche auf Preisreduktionen hindeuten. Tatsächlich ist es so, dass es bei Lithium im Gegensatz zu anderen Metallen schlicht keinen „üblichen Handelspreis“ gibt. Insider geben manchmal Prognosen ab. Zieht man all diese Einschätzungen in seine eigenen Gedanken ein und berechnet man deren Durchschnitt, dürfte man so die bestmögliche Prognose erhalten. Dabei gilt – im Gegensatz zu anderen Gütern – als gesichert: Die Nachfrage wird hier trotz Preisunsicherheit ansteigen.

Lithium-Ionen-Akku: Oder das Herz eines E-Fahrzeugs
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Wie erkenne ich ein hochwertiges Produkt?

Art und Qualität der Lithium-Ionen-Akkus bestimmen an sich die Lebensdauer. Ein weiterer Faktor liegt aber in der Hand des Verbrauchers selbst: Die richtige Wartung. Ihr ist deshalb eine hohe Bedeutung beizumessen, weil mit der Zeit Kapazitätsverluste einhergehen. Und wie lange das dauert, hängt von Variablen ab.

Manche Tipps haben erwiesenermaßen eine hohe Wirkung auf die Lebensdauer. Diese betreffen einerseits den Ladezustand während der Ruheposition, andererseits die Umgebungstemperaturen. Es sind also keine umständlichen Aktionen erforderlich und es ist auch keine Fremdhilfe nötig. Die vom Hersteller herausgegeben Informationen sollte man zu 100 % berücksichtigen. Sie sind einfach empfindlicher als ihr Pendant, die Autobatterie. Bei der richtigen Behandlung kommt diese erhöhte Sensibilität aber nicht zum Tragen. Ihre Lebensdauer beträgt nunmehr rund 10 Jahre, vielleicht auch länger. Manche Erzeuger orientieren sich mittlerweile bei den Angaben oder ihrer Garantie an den gefahrenen Kilometern oder der Anzahl der Ladezyklen und nicht am Faktor Zeit. Mit Kapazitätsverlusten gegen Ende ist dennoch zu rechnen.

Als „Nachteil“ galt der Preis des Lithium-Ionen-Akku – so wie immer, wenn eine Neuheit die Märkte erst erobern muss. Inzwischen kann man das so nicht mehr sagen, insbesondere auch weil viele Hersteller ohnehin einen Austausch nach einer gewissen Zeit gewährleisten. Der oben angeführte Kapazitätsverlust des Lithium-Ionen-Akkus ist auch nicht vergleichbar mit den typischen Verschleißteilen eines Autos. Solche leben je nach Häufigkeit der Benutzung kürzer oder länger. Man spricht beim Lithium-Ionen-Akku von einer kalendarischen Lebensdauer. Oxidierende Elektroden und chemische Veränderungen der Elektrolyten sind die Ursachen für ihre „Alterung“. Diesen Prozessen vorzubeugen ist das Ziel bei ihrer Wartung.

Lithium-Ionen-Akku: Erhöhung der Lebensdauer durch richtige Wartung

Wie bei allen Gütern gibt es Herstellerunterschiede. Allgemeingültige Tipps, online oder in Zeitschriften, sollte man mit den Angaben des Produzenten abgleichen. Manche Lithium-Ionen-Akku s ermöglichen etwas höhere Kapazitäten, welche sich reduzierend auf die Zyklen-Anzahl auswirken. Das betrifft jedoch nicht die handelsüblichen Arten.

Die richtigen Rahmenbedingungen bei Lagerung des Lithium-Ionen-Akku

Umgebungs- und Betriebstemperatur – darauf gilt es zu achten

Temperatur während der Ladung

Heute setzen unerwünschte, chemische Reaktionen später bzw. langsamer ein und sind weniger intensiv als früher beim Lithium-Ionen-Akku. Man kann sich mittlerweile bezüglich der Lebensdauer schon sehr gut an den angegebenen Zyklen orientieren. Vorsicht ist geboten bei Importen – die Zeit, bis das Produkt beim Endverbraucher landet, fällt unter den Lebenszyklus.

Ein neuer Markt entsteht: Recycling des Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus sind hoch giftig. Die Entsorgung muss umweltpolitisch betrachtet, aber auch aus gesundheitlichen Aspekten, zu einem Recycling-Vorgang führen. Das Lithium wird in der Produktion wieder benötigt. Kobalt, Nickel, Aluminium und Kupfer sind weitere Werkstoffe, welche diese Notwendigkeit mit begründen. Es wurden hierzu komplexe Recycling-Systeme geschaffen. Die Gewinnung von Kobalt ist tatsächlich eine ökologische Schwachstelle – noch zumindest. Bereits 2020 schafft Tesla Produktionen mit einem Verbrauch von 2,9 % während Batterien anderer Produzenten etwa bei 12-14 % liegen. Es ist allerdings davon auszugehen, dass bis zum Jahr 2025 komplett kobaltfreie Batterien am Markt landen werden. Die ansteigenden Preise unterstützen diese positive Entwicklung.

Manche Entwicklungen befassen sich mit synthetischen Ersatzstoffen und dem Einsatz des kostengünstigen Schwefels. Deutschland hat hohe Marktanteile daran. Im Resümee kann es zwar keine „Wunderbatterie“ geben. Und doch bestehen mehrere Optionen für ein ökologisch besseres Ergebnis als bisher. Eine spannende Entwicklung ist auf jeden Fall gesichert, gerade hinsichtlich Kosten und Ökologie. Unter anderem in Bremerhaven startete man 2018 einen hochinteressanten Ansatz, wobei die Mindestquote an recyceltem Material um 40% übertroffen wird. Angestrebt werden stolze 100 %. Das Investitionsvolumen von mehr als 10 Millionen Euro ist somit ein langfristiges und nachhaltiges Geschäft. Nicht nur Lithium-Ionen, sondern auch Aluminium, Plastik, Edelstahl und Kupfer werden dabei zurückgewonnen. Sogar die erhaltene Energie wird wieder eingespeist. Diese Anlagen benötigen sehr hohe Sicherheitsstandards und sind damit kostenintensive Verfahren. Noch wird das Potenzial freilich noch nicht ausgeschöpft aber der Markt dafür befindet sich im Wachsen, da die Zahl der Rückläufer kontinuierlich ansteigt.

Systeme, die bis vor ein paar Jahren noch innovativ erschienen, gelten als revolutioniert. Früher zu Recht geäußerten Kritikpunkten wurde der Boden entzogen: Zu allererst galt es, übermäßigen Bedarf an Wasser ressourcenschonend zu organisieren. Es wurden hierzu komplexe Recycling-Systeme geschaffen. Einer der Vorreiter von heute hat seinen Sitz im deutschen Unternehmen Düsenfeld: Der CO2-Fußabdruck seiner Lithium-Ionen-Batterie wurde um 40 % reduziert.

Manche Stimmen gehen von einem Ressourcen-Bezug aus Recycling bis 2050 in der Höhe von 40 % des gesamten Bedarfs aus. Der Abbau ist auch wesentlich zeitaufwändiger als Wiederaufbereitung. Derartige Entwicklungen sind weltweit zu beobachten, zum Beispiel in Südkorea, wo eine Vereinbarung zwischen zwei großen Playern hinsichtlich eines Recycling-Programms bei Anlegern auf großes Interesse stößt.

Ökologie. Optimierung. Transparenz.

Umweltpolitisch betrachtet liegt der größte Kritikpunkt bei der Gewinnung der Rohmaterialien in einem vermuteten Zusammenhang mit Trockenheit und Dürre in einem der größten und wichtigsten Abbaugebiete der Welt: der Salzwüste, Salar de Atacama, in Chile.

Einen Durchbruch schaffte das chilenische Unternehmen SQM. Der Umstand des enormen Wasserverbrauches für die Gewinnung von Salz und Metallen wurde mittels Messstationen in der Salzwüste durch eine enorme Datengewinnung ergänzt und diese findet sich für jedermann ersichtlich präsentiert. Erst die dadurch gewonnenen Erkenntnisse bilden die Voraussetzung für proaktives Gegensteuern. Der ohnehin für die Masse der heute erzeugten Elektrogeräte mit Lithium-Bedarf, davon sind Auto-Akkus nur ein Teil, wird durch den Einsatz dieses Systems unterstützt.

Inzwischen gibt es Elektro-Autos, welche hinsichtlich ihres Wasser-Verbrauchs bei der Lithium-Gewinnung mit jedem anderen Lebensbereich einfach vergleichbar sind – der Tesla-Akku befindet sich etwa am selben Niveau wie 250 g Rindfleisch oder 30 Tassen Kaffee.

Lithium-Ionen-Akku: Ein Fazit zur aktuellen Entwicklung

Im Zeitraum von nur 2,5 Jahren fand laut einer 2019 durchgeführten Untersuchung des schwedischen Umweltforschungsinstituts IVL insgesamt eine Senkung des CO2-Bedarfs statt, welche die kühnsten Erwartungen übertrifft. Der hauptsächlichste Effekt für diesen ökologischen Quantensprung liegt in der Herkunft des mittlerweile verwendeten Stroms. Während im Jahr 2016 die Kohlestoff-Emissionen bei der Erzeugung noch 200 kg betrugen, liegt der Bedarf heute zwischen 61 und 106 kg. Diese Entwicklung ist mehr als nur dynamisch zu bewerten und das bedeutet auch in der Zukunft weitere Reduzierungen in einem beachtlichen Ausmaß. Die Decke ist noch unerreicht. In eine Gesamtbetrachtung der E-Mobilität ist daher mit einzubeziehen, dass der Betrieb in ansteigendem Ausmaß ökologischer wird, während es sich beim Verbrenner genau umgekehrt verhält.

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