Elektroauto: Wie funktioniert die Lithium-Ionen-Batterie?
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Die Lithium-Ionen-Batterie hat sich als Standardtechnologie in der Welt der Elektroautos etabliert. Wie funktioniert sie und welche Vorteile bietet sie? Hier die Erläuterungen.
von der Renault Group
Die Lithium-Ionen-Batterie kam 1991 auf den Markt und war zunächst für den Bereich der Unterhaltungselektronik bestimmt. Sehr schnell fand sie neue Anwendungsbereiche und etablierte sich schließlich als echter Standard für alle Geräte, die einen wiederaufladbaren und tragbaren Akku benötigen. Sie löste die Nickel-Cadmium- (NiCd) und Nickel-Metallhydrid- (Ni-MH) Technologien ab.
Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Batterie
Das Prinzip einer Lithiumbatterie besteht darin, Elektronen zirkulieren zu lassen, indem eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden – einer negativen und einer positiven – erzeugt wird, die in eine ionisch leitende Flüssigkeit, den sogenannten Elektrolyten, eingetaucht sind. Wenn die Batterie ein Gerät mit Strom versorgt, werden die in der negativen Elektrode gespeicherten Elektronen über einen externen Stromkreis freigesetzt, bis sie die positive Elektrode erreichen: Dies ist die Entladephase. Umgekehrt, wenn die Batterie geladen wird, bewirkt die vom Ladegerät übertragene Energie, dass die Elektronen von der positiven zur negativen Elektrode zurückfließen.
Die verschiedenen Batterietypen unterscheiden sich je nach Art der Ionen, den verwendeten Elektrodenmaterialien und dem zugehörigen Elektrolyten. Die 12-Volt-Blei-Säure-Batterie, die traditionell zur Stromversorgung des Anlassers eines Verbrennungsfahrzeugs dient, basiert beispielsweise auf einem Elektrolyten, der Bleionen enthält, sowie auf Elektroden auf Bleibasis. Die Lithium-Ionen-Batterie hingegen nutzt Lithium-Ionen (Li+): Daher leitet sich auch der Name dieser Technologie ab.
Ein Lithium-Ionen-Akku, wie er in einem Auto wie dem ZOE verbaut ist, besteht aus einer Anordnung einzelner Akkumodule (Zellen), die miteinander verbunden sind und von einer speziellen elektronischen Schaltung gesteuert werden. Die Anzahl der Zellen, die Größe jeder Zelle und ihre Anordnung bestimmen sowohl die von der Batterie gelieferte Spannung als auch ihre Kapazität, d. h. die Menge an Strom, die sie speichern kann. Diese wird in der Automobilbranche üblicherweise in Wattstunden (Wh) oder sogar in Kilowattstunden (kWh) angegeben.
Eigenschaften eines Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus kommen sowohl in Unterhaltungselektronikgeräten (Handys, Laptops) als auch in Elektroautos zum Einsatz. Der Hauptgrund für diesen breiten Erfolg liegt vor allem in der Speicherdichte, die die Lithium-Ionen-Technologie ermöglicht.
Diese Energiedichte entspricht dem Verhältnis zwischen der Speicherkapazität der Batterie und ihrem Platzbedarf bzw. ihrem Gewicht. Zum Vergleich: Eine Lithium-Ionen-Batterie weist eine Energiedichte in der Größenordnung von 300 bis 500 Wh/kg auf, also etwa zehnmal so viel wie eine Blei-Säure-Batterie.
Bis zur möglichen Entwicklung von Innovationen wie der Festkörperbatterie stellt die Lithium-Ionen-Technologie heute im Bereich der Elektromobilität den besten Kompromiss zwischen Kapazität, Volumen und Gewicht dar. Sie bietet eine hohe Leistung, einfache Aufladbarkeit und eine gute Langlebigkeit, wodurch sie sich im Einklang mit den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg für sich gegenseitig ergänzende Anwendungsszenarien eignet.
