EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-6: Übertragung – Umgang mit Materie 155 155 Lithium-Ionen-Akku Abb. 155–1: Vorgänge beim Entladen und Laden eines Lithium-Ionen-Akkus Reaktionen beim Entladen: Red.: PbO 2 + SO 4 2– + 4 H + + 2 e – → PbSO 4 + 2 H 2 O Ox.: Pb + SO 4 2– → PbSO 4 + 2 e – Gesamt: PbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4 → 2 PbSO 4 + 2 H 2 O An beiden Polen entsteht schwer lösliches Bleisulfat. Durch Anlegen einer äuße- ren Spannung kann die Reaktion umgekehrt werden ( Laden des Akkumulators ). Der große Vorteil des Bleiakkumulators ist seine Belastbarkeit. Er kann kurzzeitig mehrere hundert Ampere Stromstärke liefern. Er ist daher trotz seines hohen Ge- wichtes als Starterbatterie für Autos in Verwendung. Ein Blei-Akku darf aber auf keinen Fall kurzgeschlossen werden – das kann zur Zerstörung des Akkus führen. Lithium-Ionen-Akku Dieser Akku-Typ zeichnet sich durch besonders geringes Gewicht und hohe Kapa- zität aus. Er wurde erstmals 1991 in einer Videokamera auf den Markt gebracht und hat seitdem im Bereich der mobilen elektronischen Geräte alle anderen Akku- Typen verdrängt. Die Verwendung dieses Akkus in Elektrofahrzeugen sorgt in den letzten Jahren für ständig steigende Produktionszahlen. Lithium ist ein sehr starkes Reduktionsmittel ( E ∅ = –3,05 V) und daher als negative Elektrode optimal geeignet. Lithium ist auch das drittleichteste Element. Proble- matisch ist die hohe Brandgefahr von Lithium bei Reaktion mit Wasser oder Luft- feuchtigkeit, die hohe Anforderungen an eine sichere Produktion dieser Akkus stellt. Bei mangelhafter Konstruktion eines Lithium-Ionen-Akkus kann es auch zu spon- taner Erhitzung oder zum Brand eines solchen Akkus kommen. Die Spannung einer Akku-Zelle liegt üblicherweise bei 3,6 V. Als Kathode beim Lithium-Ionen-Akku dienen verschiedene Cobalt-Verbindungen, bei den neuesten Akkus für Elektrofahrzeuge handelt es sich um Lithium-Nickel- Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA). Die Anode besteht in den meisten Fällen aus Koh- lenstoff-Verbindungen, in die Lithium-Ionen eingelagert werden können. Als Elek- trolyt dienen organische Lösungsmittel mit Lithiumsalzen. Beim Entladevorgang wandern die eingelagerten Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und die Cobalt-Ionen an der Kathode werden reduziert. Beim Ladevorgang wird dieser Prozess umgekehrt. Die Produktion von Lithium-Ionen-Akkus – vor allem für Elektrofahrzeuge – ist in den letzten Jahren stark angestiegen, während die Kosten kontinuierlich sinken. Durch Verbesserungen des Zellaufbaues konnte auch die Lebensdauer der Zellen deutlich gesteigert werden. Für die Produktion der Lithium-Ionen-Akkus werden viele Rohstoffe benötigt, vor allem Lithium und Cobalt. Das Recycling von ver- brauchten Zellen für die Bereitstellung dieser Rohstoffe wird in den kommenden Jahren stark an Bedeutung gewinnen. Neben der Elektromobilität werden Lithium- Ionen-Akkus auch für stationäre Stromspeicher verwendet. In San Diego (USA) wurde 2017 ein solcher Stromspeicher mit einer Kapazität von 120 MWh eröffnet, der die elektrische Energie in 400 000 Lithium-Ionen-Akkus spei- chert. Solche Stromspeicher dienen vor allem der Abdeckung von Verbrauchsspit- zen im Stromnetz, für die ansonsten neue Kraftwerke errichtet werden müssten. Aluminium Kupfer Ent laden Verbraucher Aluminium Kupfer Spannungs- quelle Laden O 2– Co 2+ Li + Co Co Co 2+ + 2 e – Aluminium Aluminium Kupfer + C + Li + + e – C – Li + Laden Entladen e – ....... Li + ....... C ....... Kupfer + Co 2+ + 2 e – Co C – Li + C + Li + + e – Abb. 155–2: Reaktionen beim Entladen und Laden eines Lithium-Ionen-Akkus Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv