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Der Aufbau einer Lithium-Ionen Batterie

Die Entdeckung einer dauerhaften Stromquelle (mehr dazu hier) legte den Grundstein für die weitere Batterieforschung. Ganz am Anfang steht die Erkenntnis, dass Elektronen bereitwillige Ladungsträger sind. Wenn sie sich bewegen, entsteht eine Spannung, die einen elektrischen Stromfluss auslöst. So funktioniert auch eine Batterie. Dazu setzt sie sich aus einer negativen Elektrode (der Anode), einer positiven Elektrode (der Kathode), einem Separator, dem Elektrolyten und dem Zellgehäuse zusammen. Die einzelnen Bestandteile erfüllen jeweils eine andere Funktion:

• Die Kathode ist die positiv geladene Elektrode einer Lithiumbatterie. Sie besteht meist aus einer lithiumhaltigen Kompositstruktur. Diese enthalten zudem meistens Nickel, Mangan, Cobalt oder Eisen.
• Die Anode ist die negativ geladene Elektrode einer Lithiumbatterie. Sie besteht normalerweise aus Materialien auf Kohlenstoffbasis, (vornehmlich Graphit).
• Der Separator verhindert den elektrischen Kontakt zwischen der Kathode und der Anode und dient zusätzlich zur räumlichen Trennung.
• Der Elektrolyt stellt den Ionenfluss sicher. Darin können geladene Li-Ionen wandern – also von der Kathode zur Anode und umgekehrt.
• Die Stromableiter bestehen aus Kupfer und Aluminium und leiten die Elektronen aus der Zelle zum Verbraucher (Entladen) bzw. von der Stromquelle in die Zelle (Laden).
• Das Gehäuse schützt das Innere der Zelle vor äußeren Einflüssen und verhindert das Auslaufen des Elektrolyten. Das Gehäuse ist in der Regel aus Stahl oder Aluminium.

Wenn eine Batterie benutzt wird, passiert folgendes: An der Anode werden negativ geladene Teilchen, so genannte Elektronen, freigesetzt. Diese wandern zur Kathode – und zwar nicht durch die Batterie, sondern außen herum. Diese Wanderung erzeugt den Strom. Klassische Batterien, wie wir sie häufig in einer Fernbedienung finden, müssen ausgetauscht werden, wenn alle Elektronen von der Anode zur Kathode gewandert sind. In Lithium-Ionen Akkus hingegen wandern die Elektronen hin und her. 

Die Pioniere der Lithium-Batterie

Bis zum Lithium-Ionen-Akku, wie wir ihn heute in Laptops, Handys oder E-Autos verbauen, war es jedoch ein längerer Weg. Der englisch-amerikanische Chemiker Stanley Whittingham baute zunächst eine reine Lithium-Batterie. Er verwendete erstmal Titandisulfid als Kathodenmaterial. Das bronzefarbene Pulver hat eine vergleichbare elektrische Leitfähigkeit, wie sie Halbmetalle besitzen. Es ist in Schichten aufgebaut – gut geeignet, damit Li-Ionen aufgenommen werden können, ohne die Kristallstruktur des Materials zu verändern. Für die Anode griff er auf metallisches Lithium zurück. Dies ist allerdings sehr reaktionsfreudig. Beim Entladen wanderten die Li-Ionen zur Kathode wurde die Batterie geladen, wanderten sie wieder zurück. Es gab jedoch ein Problem: Mit jedem Ladevorgang bildeten sich an der Anode Dendriten. Diese gleichen einer nadelartigen Struktur. Sobald Dendrite den Separator zwischen den beiden Elektroden durchstoßen haben und in Kontakt mit der Kathode kamen, kam es zum Kurzschluss. Die Batterien explodierten.

Der zweite Gründungsvater der Batterie, John Goodenough, setzte die Forschung von Whittingham fort und konnte die Spannung der Batterien von 2 auf 4 Volt verdoppeln, indem er Lithium-Cobalt-Oxid verwendete. Die Vorteile von Lithium-Cobalt-Oxid sind die bessere elektrische Leitfähigkeit und höhere Energiedichte im Vergleich zu Titandisulfid. Schließlich war es dann aber der Japaner Akira Yoshino, der 1985 den ersten kommerziellen Lithium-Akku entwickelte. Im Gegensatz zu Whittingham und Goodenough fokussierte er sich auf die Anode und setzte statt auf das reaktionsfreudige Lithium auf Erdölkoks. Dieses Kohlenstoffmaterial kann wie der Kristallit Cobaltoxid in der Kathode Lithium-Ionen aufnehmen. Zudem baute er eine dünne Membran als Trennung zwischen den Kathoden und Anodenmaterialien ein. Diese soll das Überhitzen der Batterie stoppen, bevor sie in Brand geraten kann. Das machte seine Batterie stabiler als andere wiederaufladbare Batterien, die sich damals in der Entwicklung befanden. Heute können wir uns eine Welt ohne Lithium-Ionen Akkus kaum vorstellen. Entsprechend hoch ist die Nachfrage.