Lithium-Ionen-Akkumulator

Lithiumsolegewinnung in der Salar-Salzebene Bolivien 3.1.23
Foto: Pierre Markuse

mal wieder brennt ein E-Bike.
Foto: FW Aschersleben

eine Taschenlampe mit einem LI Akku löste den Brand in einem HLF aus.
Foto: Knappmeyer Davor

ein technischer Defekt verursachte vermutlich diesen Brand an dem E Scooter.
Foto: FFW Unterhachingen

Brand eines Elektroskateboard
Foto: Feuerwehr Altlußheim

ein Hoverboard nach einem Brand.
Foto: FW Bergisch Gladbach

Li Akku nach einem Brand.
Foto: PGT

Li Akkus mit und oihne Brandschaden.
Foto: PGT

abgebranntes E-Bike in einem Wohnzimmer.
Lithium-Ionen-Akkumulator nur mit dem richtigen Ladegerät auf einer nicht brennbaren Fläche laden.
Foto: FW Herford

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (auch Lithiumionenakku, Lithiumionen-Akku, Lithiumionen-Sekundärbatterie oder kurz Lithium-Akkumulator; fachsprachlich ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle. Die reaktiven Materialien sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode sowie der Elektrolyt enthalten Lithiumionen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben eine höhere spezifische Energie (Energie pro Kilo) als andere Akkumulatortypen. Sie reagieren auf Tiefentladung und auf Starterbatterie#Überladung|Überladung nachteilig und brauchen deshalb Spannungsregler#Laderegler oder Schutzschaltung für Akkus|elektronische Schutzschaltungen.

Allgemeines

Es gibt zahlreiche verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Größe und Bauform, sondern auch in der chemischen Zusammensetzung ihrer Komponenten und haben auch verschiedene Spannungsbereiche. Für etwa zwei Jahrzehnte waren die meisten der auf den Markt gebrachten lithiumbasierten Akkumulatoren Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren. Heute werden vor allem die auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basierenden NMC-Akkumulatoren verkauft. Die Kenndaten wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit, Lade- und Entladeschlussspannung und der maximal erlaubte Ladestrom|Lade- oder Entladestrom variieren bauartbedingt und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyten abhängig. Die Angabe des genauen Typs, beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator, ist aus diesem Grund informativer als die unspezifische Angabe des Oberbegriffs Lithium-Ionen-Akkumulator. Zusätzlich zu den Varianten aufgrund der Elektrodenmaterialien gibt es Varianten aufgrund verschiedener Elektrolyte: die Zelle kann einen flüssigen Elektrolyten enthalten oder als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein.

Allen Lithium-Ionen-Akkumulatoren gemeinsam ist, dass die Zellen gasdicht versiegelt sein müssen und lageunabhängig betrieben werden können. Die spezifische Energie liegt in der Größenordnung von 150 Wh/kg und die Energiedichte in der Größenordnung von 400 Wh/l, womit Lithium-Ionen-Akkumulatoren insbesondere im Bereich mobiler Anwendungen als elektrischer Energiespeicher interessant sind und den Aufbau kleiner und leichter Akkumulatoren erlauben.<ref name="linde2" /> Die temperaturabhängige Selbstentladungsrate liegt im Bereich von nahe 0 % bis 8 % pro Monat, der typische Temperaturbereich für den Einsatz liegt bei ca. −30 °C bis +60 °C.

Ein weiteres Merkmal aller Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist, dass die Zellen von der Zellchemie her nicht imstande sind, Überladungen zu verkraften. Bei einem Verbund mehrerer Zellen in Reihenschaltung|Reihe zum Erzielen einer höheren elektrischen Spannung müssen zum Ausgleich der Toleranzen in der Kapazität zwischen den Zellen meistens zusätzliche Maßnahmen in Form eines Batteriemanagementsystems (BMS) und Balancers vorgesehen werden.

Die meisten Lithium-Ionen-Akkumulatorentypen werden durch Temperatursicherung|Übertemperatur beschädigt, da es bei einigen der häufig eingesetzten Oxiden wie Lithium-Cobalt(III)-oxid und Mischoxiden wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden ab Temperaturen von ca. 180 °C zu einem Thermisches Durchgehen|thermischen Durchgehen kommt. Oxide wie Nickel(IV)-oxid|Nickeldioxid, welche zwar den Bau von Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit vergleichsweise hoher spezifischer Kapazität erlauben, neigen stark zu thermischem Durchgehen und werden daher in kommerziellen Anwendungen praktisch nicht verwendet.<ref name="linde4" /> Beim thermischen Durchgehen wird durch den chemischen Zerfall des Oxids im Akkumulator Sauerstoff freigesetzt, welcher chemisch mit Zellbestandteilen wie dem Elektrolyten reagiert und so zu einer sich selbst steigernden, von außen nicht mehr anhaltbaren Exotherme Reaktion|exothermen Reaktion und thermischer Zerstörung des Akkumulators führt. Dies gilt für alle bekannten Kathodenmaterialien, auch für Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator|Lithiumeisenphosphat. Die Kathodenmaterialien unterscheiden sich allerdings in der Onset-Temperatur (bei der die exotherme Reaktion beginnt) und hinsichtlich der dabei freigesetzten Energie.

Im Gegensatz zu den nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien und der Gruppe von Lithiumakkumulatoren, die metallisches Lithium im Aufbau nutzen, tritt in Lithium-Ionen-Akkumulatoren kein metallisches Lithium auf – das Lithium wird bei allen heutigen Lithium-Ionen-Akkumulatortypen im Wirtsgitter eines Trägermaterials gebunden.<ref name="linde34.1" /> Wenn sich das Wirtsgitter dabei kaum verändert, spricht man von Interkalation (Chemie)|Interkalation. Je nach Typ werden im Rahmen der Herstellung von Akkus mit einer Speicherfähigkeit der Energiemenge von einer Wattstunde|Kilowattstunde etwa 80 g bis 130 g chemisch reines Lithium benötigt. Lithium-Ionen, auch die in Akkumulatoren, sind Wertigkeit (Chemie)|monovalent (Li⁺), was verglichen mit multivalenten Ionen wie Mg²⁺ oder Al³⁺ einen wesentlich besseren Transport in Festkörpern erlaubt und damit die Nutzung von Interkalation (Chemie)|Interkalationsprozessen möglich macht.

Mit den Lithium-Ionen-Akkumulatoren im Aufbau und Verfahren verwandt sind die Natrium-Ionen-Akkumulatoren, welche das Alkalimetall Natrium in Form von Na⁺-Ionen verwenden und eine ähnliche Typenvariation aufweisen, aber physikalisch bedingt grundsätzlich eine geringere Energiedichte haben.<ref name="sod1" /> Dank jüngerer Forschungsarbeiten ist der Wandel vom theoretischen Konzept zur praxistauglichen Technologie inzwischen gelungen. Ein koreanischer Prototyp schafft etwa 500 Ladezyklen, bevor die Kapazität auf 80 Prozent fällt. Im Vergleich zur Lithium-Akkutechnik wird die Herstellung von Natrium-Ionen-Akkus nicht durch knappe Ressourcen begrenzt.

Geschichte

Bereits in den 1970er Jahren wurden an der TU München das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetallionen-Interkalation (Chemie)|Interkalation in Kohlenstoff-Elektroden erforscht und veröffentlicht (Jürgen Otto Besenhard und andere), auch wenn damals die praktische Anwendbarkeit als Elektroden für Lithium-Batterien nicht erkannt wurde. In den 1970er Jahren fand Stanley Whittingham ein vielversprechendes Kathodenmaterial für Lithiumbatterien in Form von Titandisulfid, das in seinen atomaren Zwischenräumen Lithiumionen aufnehmen kann.

Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO₂-Akku, war das erste verfügbare elektrodenchemische System für einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Brauchbarkeit als Elektrodenmaterial wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough an der University of Oxford entdeckt. Die Kathode besteht aus der namensgebenden Substanz Lithium-Cobalt(III)-oxid und die Anode aus reduziertem Lithium. Goodenough fand das Material nach systematischer Suche, ausgehend davon, dass er ein Metalloxid mit eingelagerten Lithiumionen für vielversprechender hielt als das Metallsulfid von Whittingham. Er erreichte Zellspannungen von 4 Volt. Die erfolgreiche industrielle Umsetzung gelang zuerst 1985 in Japan durch Akira Yoshino und Kollegen bei A&T Battery, einem Tochterunternehmen von Toshiba und Asahi Kasei. Er baute auf dem Kathodenkonzept von Goodenough auf und verwendete für die Anode statt dem reaktiven metallischen Lithium Petrolkoks, der Lithiumionen aufnehmen kann. Ein Vorteil neben dem relativ geringen Gewicht war die Haltbarkeit, da sie nicht auf den Elektrodenmaterial aufbrechenden chemischen Reaktionen beruhten, sondern auf dem Fluss von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode.

Der erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Akku wurde als Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8-Videokamera CCD TR 1 eingesetzt. Die Batterie aus zwei seriell verschalteten Zellen hat eine Spannung von 7,2 V und eine Kapazität von etwa 1200 mAh. Bis heute (2016) werden Akkumulatoren dieser Bauform mit Kapazitäten bis 6900 mAh angeboten und in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt.

Whittingham, Goodenough und Yoshino erhielten 2019 für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie den Nobelpreis für Chemie.

Im Jahr 2020 fanden Forscher der Columbia University heraus, dass die Zugabe von Kalium Lithium-Akkumulatoren langlebiger und sicherer macht. So verhindere das Kalium unerwünschte chemische Nebenreaktionen.

Anwendungsbereiche

Lithium-Ionen-Akkus versorgten anfangs hauptsächlich tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß waren, beispielsweise Mobiltelefone, Tabletcomputer|Tablets, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen, Softairwaffen oder Taschenlampen. Mittlerweile sind sie in fast allen Bereichen anzutreffen. Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Pedelecs, Elektroautos, moderne Elektrorollstühle und Hybridelektrokraftfahrzeug|Hybridfahrzeuge. Auch im RC-Modellbau haben sie sich früh etabliert. Durch ihr geringes Gewicht sind sie, in Verbindung mit Bürstenloser Gleichstrommotor|bürstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern, gut als Antriebseinheit im Flugmodellbau geeignet. Seit 2003 gibt es Lithium-Ionen-Akkus in Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und in Gartengeräten. In der Boeing 787 werden Lithium-Kobaltoxid-Akkus (LiCoO₂) verwendet. Sie erhielten nach mehreren Bränden nachträglich eine Stahlummantelung. Andere Flugzeuge sind (2012) mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus ausgerüstet.

Prinzip

Im geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess mit Stoffänderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt. Im Akkumulator können Lithiumionen (Li⁺) frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern, wovon sich der Name des Akkus ableitet. Im Gegensatz zu den Lithiumionen sind die Übergangsmetall- und Graphit-Strukturen der Elektroden ortsfest und durch einen Separator vor einem direkten Kontakt geschützt. Die Mobilität der Lithiumionen ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.

Die negative Elektrode ist eine Graphit-Interkalation (Chemie)|Intercalationsverbindung mit der allgemeinen Zusammensetzung Li_xC_n, wobei Lithium als Kation vorliegt. Beim Entladen gibt die Interkalationsverbindung Elektronen ab, die über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Gleichzeitig wandern gleich viele Li⁺-Ionen aus der Intercalationsverbindung durch den Elektrolyten ebenfalls zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithiumionen die Elektronen des externen Stromkreises auf, sondern die dort vorhandenen Strukturen der Übergangsmetallverbindungen. Je nach Akkumulatortyp können das Cobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisen-Ionen sein, die ihre Ladung ändern. Das Lithium liegt im entladenen Zustand des Akkumulators in der positiven Elektrode weiterhin in Ionenform vor.

Da die Affinität der Lithiumionen zum Material der positiven Elektrode größer ist als ihre Affinität zur negativen (Graphit-)Elektrode, wird beim Fließen von Lithiumionen von der negativen zur positiven Elektrode Energie freigesetzt.

Innerhalb beider Elektroden können sich Elektronen als Elektronengas frei bewegen und zu den externen Leitern wandern bzw. aus den Leitern in die Elektrode eintreten, nicht jedoch zwischen den Elektroden innerhalb des Akkumulators wandern. Die Trennwand ist elektronenundurchlässig, was einen Kurzschluss verhindert.

Aufbau

An Materialien werden unter anderem verwendet:

Negative Elektrode (beim Entladen: Anode; beim Laden: Kathode)

• Graphit und verwandte Kohlenstoffe, bei denen eine Interkalation (Chemie)|Interkalation von Lithium stattfindet, sind immer noch die wichtigsten Materialien.
• nanokristallines, amorphes Silicium (Legierungsbildung mit Lithium)
• Lithiumtitanate wie Li₄Ti₅O₁₂ (Anwendung bei Lithiumtitanat-Akkumulatoren)
• Zinndioxid (SnO₂)

Elektrolyt

• Salze wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄) oder Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB) gelöst in wasserfreien Lösungsmittel#Aprotische Lösungsmittel|aprotischen Lösungsmitteln wie z. B. Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder Ethylenglycoldimethylether|1,2-Dimethoxyethan

• Polymere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP) im Lithium-Polymer-Akkumulator
• Lithiumphosphatnitrid (Li₃PO₄N)
• Lithiumtitanthiophosphat (LiTi₂(PS₄)₃)
• LISICON (Li_2+2xZn_1−xGeO₄)

Positive Elektrode (beim Entladen: Kathode; beim Laden: Anode)

• Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO₂, „LCO“) und verwandte Schichtverbindungen. Im Jahr 2008 wurde in etwa 90 % aller verkauften Lithium-Ionen-Akkumulatoren LiCoO₂ eingesetzt.
• Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide wie z. B. LiNi_0,33Co_0,33Mn_0,33O₂, die Mischoxide aus dem genannten LiCoO₂, aus LiNiO₂ und LiMnO₂ sind. Eine manganfreie Variante ist das Oxid LiNi_1−xCo_xO₂.
• Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid („NCA“, LiNi_1−x−yCo_xAl_yO₂) z. B. LiNi_0,85Co_0,1Al_0,05O₂
• Spinelle wie das Lithiummanganoxid LiMn₂O₄ („LMO“)
• Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄, „LFP“) im Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator

Separator

• Polyolefin-Membran ohne und mit nanokeramischer Schicht
• High purity alumina (HPA) Separator

Stromableiter

• Kupferfolie an der Minuspolseite. Hier verwendet man nicht Aluminium, weil Aluminium an der negativen Elektrode mit Lithium reagieren würde.
• Aluminiumfolie an der Pluspolseite. Hier verwendet man das kostengünstige und leichte Material, das in geeigneten Elektrolyten durch Passivierung vor Korrosion geschützt ist.

Reaktionsgleichungen

Im Folgenden sind beispielhaft die für den Lithium-Mangan-Akkumulator geltenden chemischen Reaktionsgleichungen bei Entladung und Ladung angeführt.

Negative Elektrode (Entladen):

$\mathrm {Li} _{x}\mathrm {C} _{n}\rightarrow \ \,\mathrm {C} _{n}+x\,\mathrm {Li} ^{+}+x\,\mathrm {e} ^{-}$

Positive Elektrode (Entladen):

$\mathrm {Li} _{1-x}\mathrm {Mn_{2}O_{4}} +x\,\mathrm {Li} ^{+}+x\,\mathrm {e} ^{-}\rightarrow \ \mathrm {LiMn_{2}O_{4}}$

Redox-Gleichung:

$\mathrm {Li} _{1-x}\mathrm {Mn_{2}O_{4}+Li} _{x}\mathrm {C} _{n}\rightarrow \ \mathrm {LiMn_{2}O_{4}} +\,\mathrm {C} _{n}$

Bauformen

Handelsübliche Einzelzellen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden üblicherweise in zylindrischer Bauform, als mit speziellem Gehäuse konfektionierte Einzelzellen (prismatische Zelle) oder als Pouch-Zellen ausgeführt. Die zylindrische Bauform ist dabei mit einer fünfstelligen Zahl gekennzeichnet und ermöglicht so einen einfachen Austausch. Die ersten beiden Ziffern geben den Zelldurchmesser in Millimeter an, die dritte und vierte Stelle die Länge der Zelle in Millimeter. In nachfolgender Tabelle sind beispielhaft einige übliche Zellgrößen mit den typischen Kapazitätswerten angegeben. Die konkreten Werte zu der Kapazität stellen grobe Richtwerte dar und sind vom konkreten Zelltyp und Hersteller abhängig.

Zellbe- zeichnung	Typische Kapazität (in Ah)	Abmessungen (ø × l in mm)	Hinweis
10180	0,3–0,4	10 × 18	2|5   AAA-Zelle
10280	0,3–0,4	10 × 28	2|3  AAA-Zelle
10440	0,3–0,4	10 × 44	Bauform wie AAA-Zelle
13450	0,5–0,7	13 × 45	Einsatz bei E-Zigaretten
14250	0,25–0,3 0	14 × 25	2  AA-Zelle
14430	0,6–0,7	14 × 43	4|5  AA-Zelle
14500	0,7–0,8	14 × 53	Bauform wie AA-Zelle
14650	0,9–1,6	14 × 65
16340	0,6–1,0	16 × 34
16500	0,8–1,2	16 × 50
16650	2–3	16 × 65	Schmale Bauform der 18650
17500	0,7–1,2	,0	A-Zelle
17650	1,2–2,5	17 × 65
18350	0,7–1,2	18 × 35
18500	1,1–2,2	18,3 × 49,8
18650	0,8–3,5	18,6 × 65,2	Weitverbreitete Bauform, u. a. in Elektroautos, E-Zigaretten und Taschenlampen
21700	,0 3–5 0|,0	21 × 70	Anwendung in Traktionsbatterien von Elektroautos
23430	3,3–5,2	23 × 43	Sub-C-Zelle
25500	,0	24,3 × 49,2
26500	2–4	26 × 50	C-Zelle
26650	3,3–5,2	26,5 × 65,4	Weitverbreitete Bauform, u. a. in Elektroautos
32600	,0	,0 32 × 61,9	D-Zelle

Eigenschaften

Da Lithium-Ionen-Akkumulator der Oberbegriff für eine Vielzahl an möglichen Kombinationen von Materialien für Anode, Kathode und Separator darstellt, ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen zu treffen.
Je nach Materialkombination unterscheiden sich die Eigenschaften teilweise deutlich. Hinzu kommt die fortwährende Verbesserung durch die Batteriehersteller, die in den letzten Jahren insbesondere auf den bekannten Problemfeldern wie Haltbarkeit und Sicherheit erhebliche Verbesserungen erzielen konnten, während die spezifische Energie nur in vergleichsweise geringem Umfang erhöht wurde.

Kein Memory-Effekt

Bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen wurde eine Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator#Anomalie in der Entladespannungskurve|Anomalie im Verlauf der Entladespannungskurve entdeckt, die von ihren Entdeckern als „Memory-Effekt“ bezeichnet wird. Dieser Effekt ist jedoch nicht mit dem allgemein bekannten Memory-Effekt (Akkumulator)|Memory-Effekt bei NiCd- und NiMH-Akkumulatoren vergleichbar und hat für den Anwender keine direkten negativen Auswirkungen.

Lebensdauer

Lithium-Ionen-Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung, wobei eine vollständige Ladung und Entladung als Zyklus bezeichnet wird, als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit (kalendarische Lebensdauer). Insbesondere die Mehrheit der in Endverbrauchergeräten verbauten Lithium-Ionen-Akkus der ersten Generationen hatte nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnten die Nutzer schon nach einem Jahr erhebliche Kapazitätsverluste feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithiumionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade-Entlade-Zyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall. Als Grund hierfür werden in der Regel parasitäre unumkehrbare chemische Reaktionen genannt.
Bei aktuellen Lithium-Ionen-Akkus liegt die kalendarische Lebensdauer deutlich höher, so dass inzwischen meist die Zyklenhaltbarkeit entscheidet, wie lange der Akku verwendet werden kann.

Die Zyklenlebensdauer ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur und von der Art der Nutzung des Akkus, insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme. Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklenhaltbarkeit drastisch, weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte. Niedrige Temperaturen während des Betriebs, nicht jedoch während der Lagerung, sind ebenfalls schädlich. Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark überproportional verbessert, das heißt, dass ein Lithium-Ionen-Akku, von dem statt 100 % nur 50 % der maximalen Kapazität entladen und dann wieder geladen werden, die mehr als doppelte Zyklenzahl durchhält. Der Grund hierfür ist, dass bei vollständig entladenem und vollständig geladenem Akku hohe Belastungen für die Elektroden entstehen. Optimalerweise werden bei solchen seicht zyklisierten Akkus sowohl die Ladeschlussspannung reduziert als auch die Entladeschlussspannung erhöht. Ebenso erhöhen starke Lade- und Entladeströme die mechanischen und thermischen Belastungen und wirken sich so negativ auf die Zyklenzahl aus.

Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Lithium-Ionen-Akkus mit längerer Haltbarkeit verkauft.

Apple gab 2009 an, die in den neuen Modellen der MacBook Pro Familie verbauten Akkus seien bis zu 1.000 Mal wiederaufladbar, bevor sie nur noch 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreichten. Das soll einer Verdreifachung der Lebensdauer gegenüber den herkömmlichen Akkus entsprechen. Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen (meist LiCoO₂-Akkus) gelernten Anwendungsregeln – Betrieb und Lagerung bei möglichst tiefer Temperatur; Lagerung nur im teilgeladenen Zustand; generell weder ganz geladen noch ganz entladen – könnte die mit den neueren Akkus erzielbare Zyklenzahl auch höher ausfallen. Ein Community-Portal zur Akku-Lebensdauer von Laptop-Akkus nennt bei einer Fallzahl von 1.644 eine durchschnittliche Zyklenzahl von 424 bei 82 % Restkapazität, wobei auch Fälle von 60 % Verlust nach nur 120 Zyklen nicht selten seien.

Wirkungsgrad

Coulomb-Wirkungsgrad

Der Coulomb-Wirkungsgrad bzw. die Coulomb-Effizienz beträgt typischerweise annähernd 100 %,

Speichervermögen in Abhängigkeit vom Entladestrom

Das Speichervermögen in Abhängigkeit vom Entladestrom kann durch die Peukert-Gleichung näherungsweise beschrieben werden. Je höher der Entladestrom, desto weniger elektrische Energie kann dem Akku entnommen werden. Für Lithium-Ionen-Akkus liegt die Peukert-Gleichung#Peukert-Zahl|Peukert-Zahl bei ca. 1,05.

Energie-Effizienz

Es kommt – wie bei jedem Akkumulator – zu Energieverlusten durch den Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen. Typische Gesamtwirkungsgrade früher Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren (vor 2006) betrugen um die 90 %. Werden im Verhältnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkumulators kleine Lade- und Entladeströme verwendet, können auch über 98 % erreicht werden.

Ladezeit

Wie die Lebensdauer hängt auch die Ladezeit von einigen Faktoren ab, bei höheren Ladeleistungen vor allem von der Temperatur. Kurze Ladezeiten wirken sich belastend auf das Elektrodenmaterial aus, sodass die Lebensdauer und Zyklenzahl verkürzt wird.

Material	Spannung
LiCoO2	3,6 V
LiMnO2	3,7–3,8 V
LiFePO4	3,3 V
Li2FePO4F	3,6 V

Spannung

Ein konventioneller LiCoO₂-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6  Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators (NiMH-Akku) ist. Die Ladeschlussspannung liegt bei bis zu 4,3 Volt. Die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt; eine Tiefentladung führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Die Zellenspannung hängt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab und ist daher von Akkutyp zu Akkutyp leicht unterschiedlich.

Gravimetrische Leistungsdichte

Die Leistungsdichte#Energiewandler|Leistungsdichte ist die Leistung (Physik)|Leistung, die ein Akkumulator im Verhältnis zu seiner Masse liefert und liegt typischerweise bei 300–1500 W/kg, bei neueren Akkus sind aber auch mehrere Tausend W/kg möglich.

Spezifische Energie und Energiedichte

Die massenbezogene spezifische Energie ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und liegt bei 90–250 Wh/kg, die volumenbezogene Energiedichte liegt bei 200–500 Wh/l, je nach verwendeten Materialien.<ref>Kurzweil, Dietlmeier: Elektrochemische Speicher S. 223 Tab. 318.

Preis

Die Kosten von Lithium-Ionen-Batterien gehen stetig zurück. Mit Stand 2019 sind die Kosten binnen 8 Jahren um mehr als 80 % gefallen. Eine weitere Kostensenkung wird sowohl aufgrund von technischen Fortschritten als auch der Erhöhung der Produktionskapazitäten erwartet.

Die Preisentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien spielt für die Umstellung auf Elektromobilität eine große Rolle, da deren Kosten einen größeren Anteil an Verkaufspreis und Folgekosten von E-Fahrzeugen haben als die Antriebstechnik bei Verbrenner-Fahrzeugen. Voraussagen über künftige Weiterentwicklungen und Preissenkungen wurden in der Vergangenheit nicht immer erfüllt. Er fiel 2015 auf etwa 300 USD, teilweise werden auch 200 USD genannt. Die Preisentwicklung von E-Fahrzeugen hat die Senkung der Zellen-Preise ab 2015 jedoch nicht nachvollzogen. Eine Studie des Energieministerium der Vereinigten Staaten|US-Energieministeriums vom Februar 2017 weist darauf hin, dass die Kosten der Traktionsbatterie – die Kapselung, Gehäuse, Elektronik und Temperatur-Management enthalten – dem Preis der Zellen nur verzögert folgen.

Praxiseinsatz

Wegen der Vielzahl an möglichen Materialien für die negative und positive Elektrode sowie den Separator ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen für Lithium-Ionen-Akkus zu treffen. Die verschiedenen Arten werden von den Herstellern für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten optimiert und unterscheiden sich stark.

Ladung

Die Ladeschlussspannung beträgt typischerweise 4,0–4,2 V, teils auch 4,35 V, was etwas höhere Kapazitäten ermöglicht, aber auf Kosten einer reduzierten Zykluszahl. Da Lithium-Ionen-Akkus keinen Memory-Effekt haben und auch nicht formiert werden müssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Bei den meisten handelsüblichen Akkus wird bei hochwertigem Ladeverfahren#Lithium-Ionen-Akkumulator|Ladeverfahren die Ladefunktion nur bei einer Zellenspannung von mindestens 2,5 V aktiviert und bis ca. 2,9 V vorsichtshalber lediglich mit einem Konstantstrom von ca. 0,1 C, darüber mit einem Konstantstrom von ca. 0,3 C (zellenschonende Ladung) bis max. 1 C bis zur Ladeschlussspannung geladen. Schnellladefähige Zellen vertragen je nach Typ aber auch 2 C, 4 C oder gar 8 C.<ref name="scib"> Die Abkürzung C steht hier für den auf die Kapazität bezogenen relativen Ladestrom (d. h. A/Ah) und ist nicht mit der Einheit Coulomb (d. h. As) zu verwechseln; ein Ladestrom von 0,75 C bedeutet, dass ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah mit 0,75 A geladen wird. Generell ist es möglich, Lithium-Ionen-Akkus mit einem geringeren Ladestrom als dem Nennstrom zu laden; meist erhöht sich dadurch auch die erreichbare Zyklenzahl etwas.

Erreicht der Akkumulator die Ladeschlussspannung von z. B. 4,2 V, wird diese Spannung gehalten. Der Ladestrom sinkt dann mit der Zeit immer weiter ab, je voller der Akkumulator wird. Sobald der Strom einen bestimmten Wert (z. B. C/10 oder gar nur 3 Prozent des anfänglichen Stroms) unterschreitet oder er über einen längeren Zeitraum nicht mehr sinkt, wird die Ladung beendet. Die Ladeschlussspannung von produktabhängig 4,1 V bis 4,3 V darf allenfalls mit einer geringen Toleranz (z. B. 50 mV) überschritten werden. Die Verwendung einer etwas niedrigeren Ladeschlussspannung ist hingegen unkritisch. Einer gewissen Verringerung der Kapazität steht meist eine deutliche Erhöhung der Zahl der nutzbaren Lade-Entlade-Zyklen gegenüber.

Entladung

Die Spannung des Lithium-Ionen-Akkus sinkt während der Entladung zunächst recht schnell von der erreichten Ladeschlussspannung auf die Nennspannung (ca. 3,6 bis 3,7 V) ab, sinkt dann aber während eines langen Zeitraums kaum weiter ab. Erst kurz vor der vollständigen Entladung beginnt die Zellenspannung wieder stark zu sinken. Die Entladeschlussspannung beträgt je nach Zellentyp um die 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden, sonst wird die Zelle durch irreversible chemische Vorgänge zerstört. Viele Elektronikgeräte schalten aber schon bei deutlich höheren Spannungen, z. B. 3,0 V, ab.

Es ist empfehlenswert, Lithium-Ionen-Akkus „flach“ zu (ent-)laden, da sich deren Lebensdauer so verlängert. Wenn ein Lithium-Ionen-Akku immer von 100 % Ladezustand auf 0 % entladen wird, bevor er wieder geladen wird, erreicht er nur die minimale Zyklenzahl. Besser ist es, je nach Typ, z. B. 70 % Entladetiefe anzuwenden. Dies bedeutet, dass der Akku noch 30 % Restkapazität enthält, wenn er wieder geladen wird. Einige Hersteller geben die Zyklenlebensdauer in Abhängigkeit vom Entladungsgrad an.

Generell gilt, dass hohe Entladeströme sowohl die Nennkapazität eines Akkus senken, da dank des höheren Spannungsabfalls am Innenwiderstand die Entladeschlussspannung früher erreicht wird, als auch die Zyklenzahl aufgrund der höheren mechanischen und thermischen Belastung reduzieren. In früheren Veröffentlichungen wird noch auf einen optimalen Entladestrom von 0,2 C (das heißt einem Entladestrom in Höhe von einem Fünftel des Nominalwerts der Nennkapazität in Ah) hingewiesen. Bei einem Akku mit einer Kapazität von 5 Ah wären dies 1 A.

Lagerung/Selbstentladung

Lithium-Ionen-Akku altern schneller bei höherem Ladezustand und höheren Temperaturen. Vorteilhaft, aber in der Praxis unrealistisch, wäre ein nur wenig geladener, kühl gelagerter, regelmäßig kontrollierter Akku, der vor Benutzung geladen und nach Benutzung gegebenenfalls teilweise wieder zu entladen wäre. Mit viel Aufwand und im entscheidenden Augenblick vielleicht leeren Akku könnte man die Lebensdauer etwas verlängern. Wichtig ist es allerdings, selten genutzte Akkus alle 18 bis 24 Monate auf den Ladezustand zu kontrollieren und nachzuladen, um Tiefentladungen zu verhindern.

Ältere Quellen nennen eine Selbstentladung bei 5 °C von etwa 1 bis 2 %/Monat, bei 20 °C etwa 30 %/Monat. Aktuelle Angaben geben eine Selbstentladung von 3 %/Monat auch bei Zimmertemperatur an.<ref name="Winston-100Ah" /> Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 55 bis 75 % nachgeladen werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren dürfen sich auch bei Lagerung nicht unter 2,7 V pro Zelle entladen. Eventuell flüssige oder gelförmige Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um −25 °C entspricht.

Sofern es die örtlichen Gegebenheiten zulassen, ist aus Sicherheitsgründen eine Lagerung der Lithiumbatterien im Freien vorteilhaft. Auch ein Brandschutzkonzept sollte vorliegen da sich Lithiumbatterien auf Basis von Lithium-Cobalt(III)-oxid thermisch durchgehen können. Widerstandsfähige Stahlbehälter oder Brandschutzschränke können eine Kettenreaktion verhindern, da sie Schutz vor Funken, Flammen, Hitze und Projektilen (Splitter aus einer Explosion einer Batterie) darstellen. Zusätzlich sollten die Stahlbehälter oder Brandschutzschränke über ein Gasmanagementsystem verfügen. So können bei einem Batteriebrand entstehende Gase sicher aus dem Behälter geführt werden und eine Explosion des Behältnisses unterbunden werden.

Beförderung/Transport

Jeder Transport einer Lithium-Ionen-Batterie ist ein Gefahrguttransport, völlig unabhängig davon, ob die Batterie beschädigt ist oder nicht. Regelungen des „Europäischen Übereinkommens über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (ADR), regeln den Transport von neuen und gebrauchten Lithium-Batterien.

Für die Beförderung von Lithium-Akkumulatoren/-Batterien gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser -Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften:

• Einstufung aller Lithium-Batterien seit dem 1. Januar 2009 als Gefahrgut der Klasse 9. Um sie versenden zu dürfen, muss, in der Regel durch den Zell- bzw. Batteriehersteller, zunächst der UN-Transport-Test UN/DOT 38.3 (enS|UN Transportation Testing) von einem akkreditierten Prüflabor durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um insgesamt acht Tests. Dieser Test ist zu dokumentieren, ab 2019 (verpflichtend ab 2020) erfolgt dies in einem inhaltlich/ formal vorgegebenen Testbericht (test report).
• für den Straßentransport: das „Europäische Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (ADR). Die Übergangsvorschrift gem. 1.6.1.20 ADR findet Anwendung.
• für den Seetransport: der IMDG-Code
• für den Lufttransport: die Internationale Zivilluftfahrtorganisation|ICAO Technical Instructions (ICAO T.I.) bzw. die International Air Transport Association|IATA Dangerous Goods Regulations (IATA DGR)
• das Gesetz über die Beförderung gefährlicher Güter (GGBefG, Deutschland)
• die „Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt“ (GGVSEB, Deutschland)
• Viele Paketdienste, Fluggesellschaften und Flughäfen haben zusätzlich eigene Beförderungsbestimmungen für Lithium-Ionen-Akkus, wobei kleinere Akkus (ca. < 100 Wh) meist unproblematisch sind. Für den DHL-Versand von Artikeln, die Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Batterien enthalten, gilt z. B. eine Regelung für die Beförderung von gefährlichen Stoffen und Gegenständen.

Grundsätzlich unterscheiden die Gefahrgutvorschriften zwischen "kleinen" und "großen" Lithiumbatterien. Klein bedeutet dabei bei Lithium-Ionen-Batterien eine max. Nennenergie von 20 Wh je Zelle bzw. 100 Wh je Batterie. Bei Lithium-Metall-Batterien gelten Zellen bis 1 g Lithiumgehalt bzw. Batterien bis 2 g Lithiumgehalt als klein. Kleine Zellen/ Batterien unterliegen, entweder einzeln, in oder mit Geräten (Verbrauchern) befördert, erleichterten Bedingungen, während große Zellen/ Batterien gefahrgutrechtlich umfangreicheren Transportbedingungen unterliegen<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>. Die Erleichterungen für kleine Zellen/ Batterien sind im Straßen-, See- und Lufttransport weitestgehend gleich, wobei es für den Lufttransport strengere Anforderungen bzgl. der im Paket zulässigen Batteriemenge gibt. Grundlage ist die Sondervorschrift SV 188 ADR/ IMDG-Code bzw. die entsprechenden Verpackungsanweisungen (packing instructions) PI 965 – PI 970, jeweils Section II.

Der Versand von Paketen mit kleinen Zellen/ Batterien erfolgt in der Regel mit einer deutlich sichtbaren Kennzeichnung, welche auf den Inhalt hinweist. Sofern es sich um eingebaute Knopfzellen handelt ist diese Kennzeichnung nicht vorgeschrieben. Ebenfalls ohne Kennzeichnung dürfen Pakete versendet werden die max. 2 in Geräten eingesetzte kleine Lithiumbatterien enthalten, sofern die Sendung aus nicht mehr als 2 solchen Paketen besteht.

Der Aufkleber enthält Hinweise über/darüber

• das Vorhandensein von Lithium-Ionen-Zellen bzw. Batterien, erkennbar an der aufgeführten UN-Nummer
• dass bei Beschädigung Entzündungsgefahr besteht,
• eine Telefonnummer, bei der man zusätzliche Informationen erhalten kann.

Auch für Lithiumbatterien im Passagiergepäck von Flugreisenden gibt es detaillierte Regelungen, so dürfen beispielsweise einzelne Lithiumbatterien ohne Gerät/ Verbraucher wie Powerbanks oder Ersatzbatterien nicht im aufgegebenen Gepäck transportiert werden, sondern müssen zwingend im Handgepäck mitgeführt werden. Fluggesellschaften sind verpflichtet, ihre Passagiere auf die entsprechenden Regelungen zu Gefahrgut im Gepäck durch Aushänge, Fragen beim Check-In oder deutliche Hinweise beim Check-In im Internet hinzuweisen. Auch die nationalen Luftfahrtbehörden wie das deutsche Luftfahrt-Bundesamt|LBA haben die Bestimmungen dazu veröffentlicht.

Den Transport beschädigter Antriebsakkus muss gemäß Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße|ADR die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) genehmigen. Diese legt für jeden Transport individuelle Sicherheitsvorkehrungen fest: neben der Flutung etwa die Verpackung mit nicht brennbaren und temperaturstabilisierenden Dämmstoffen oder die Auffüllung mit nicht leitfähigen und nicht brennbaren Inertstoffen. Laut dem Verband der Bergungs- und Abschleppunternehmen (VBA) gibt es derzeit nur wenige für den Transport defekter Elektroauto|E-Autos ausgerüstete Unternehmen.

Entsorgung

Eine fachgerechte Entsorgung ermöglicht die Verwertung der Batterien und damit die Rückgewinnung bestimmter Stoffe wie zum Beispiel Kobalt, Mangan, Nickel, Zink oder Kupfer. Grundsätzlich gilt für die Entsorgung in Deutschland: Die Hersteller sind in der Pflicht, Altbatterien unentgeltlich zurückzunehmen (§ 5 BattG) und nach dem Stand der Technik zu behandeln und stofflich zu verwerten (§ 14 BattG). Im Batteriegesetz sind Anzeige- und Rücknahmepflichten sowie Verwertungsanforderungen festgelegt.

(Integrierte) Elektronik

Lithium-Ionen-Akkus reagieren sehr empfindlich auf falsche Behandlung, weshalb dieser Akkutyp zuerst nicht eingesetzt wurde, obwohl er bereits seit den 1980er-Jahren bekannt war.<ref>Isidor Buchmann: Integrierte Schaltkreise sind sehr preisgünstig geworden; daher können Lithium-Ionen-Akkus heute in Verbindung mit einer Elektronik (BMS = Batteriemanagementsystem) betrieben werden, was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp erheblich erhöht hat. Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugröße ist diese Elektronik meist integriert; sie dient zum Schutz gegen Tiefentladung, Überladung und thermische Überlastung. Eine selbstrückstellende Sicherung verhindert Überstrom beziehungsweise Kurzschluss. Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps abgestimmt. Akku-Packs, in denen zur Spannungserhöhung mehrere Zellen Reihenschaltung|in Reihe geschaltet werden, verfügen oft auch über eine Elektronik, die durch sog. „Balancer|Cell-Balancing“ den Ladezustand aller Zellen in einem Pack aneinander angleicht. Insbesondere muss die Ladung beendet bzw. zumindest der Ladestrom reduziert werden, wenn die erste Zelle die Maximalspannung überschreitet, und die Entladung, wenn die erste Zelle die Minimalspannung unterschreitet.

Überladung

Bei einem Überladungsversuch wird bei einem Akku mit integrierter Überwachungselektronik die Zelle von den äußeren Kontakten getrennt, bis die zu hohe Spannung nicht mehr anliegt. Danach kann er meist ohne Probleme wieder verwendet werden. Nicht alle auf dem Markt erhältlichen Akkus enthalten eine solche Überwachungselektronik. Bei Überladung verschiedener Lithium-Ionen-Akkus kann metallisches Lithium an der Kathode (Elektrolyse) reduziert werden und sich ablagern und/oder es wird Sauerstoff aus der Anode (Elektrolyse) freigesetzt. Letzterer gast bestenfalls durch ein Sicherheitsventil aus oder reagiert mit Elektrolyt oder Anode. Dadurch heizt sich der Akkumulator auf und kann sogar in Brand geraten.<ref name="BatteryUniversity" /> Andere Lithium-Ionen-Akkus wie der LiFePO₄-Akku sind thermisch stabil, werden aber bei Überladung ebenfalls irreversibel geschädigt.

Tiefentladung

Bei einer Tiefentladung von Zellen schaltet eine eventuell vorhandene interne Schutzelektronik bzw. ein Batteriemanagementsystem den Akku temporär ab. Es liegt dann an den externen Kontakten des Akkupacks überhaupt keine Spannung mehr an, das heißt, er kann nicht noch weiter entladen werden. Der Akku wird von seiner Schutzelektronik wieder an die Kontakte geschaltet, sobald eine äußere Spannung (Laden) anliegt.

Tiefentladung führt meist zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Wenn eine Zelle auf unter 1,5 V entladen wurde, sollte sie nicht mehr verwendet werden, denn mit hoher Wahrscheinlichkeit haben sich Brücken ausgebildet, die zu einem Kurzschluss führen. Die Zelle wird instabil und erhitzt sich stark. Es kann Brandgefahr bestehen.

Ladegeräte

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus dürfen nur mit einer speziellen Ladeschaltung geladen werden.
Die Elektronik steuert den ladungsabhängigen Ladestrom und überwacht insbesondere die exakt einzuhaltende Ladeschlussspannung. Auch bei vorhandener interner Schutzschaltung sollte nur mit passenden Geräten geladen werden. Schnell-Ladegeräte sollten immer unter Aufsicht und möglichst nicht in der Nähe brennbarer Materialien benutzt werden.

Betriebs- und Umgebungstemperatur

Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkumulators bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich auch beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, womit die abgebbare Leistung sinkt. Zudem können evtl. die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um −25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0–40 °C an. Optimal sind für viele Zellen aber 18–25 °C. Unter 10 °C kann bei manchen Arten durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange für den Betrieb eines Camcorders oder einer Digitalkamera ausreicht. Es gibt aber Lithium-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis −54 °C eingesetzt werden können. Durch Laden bei niedrigen Temperaturen tritt meist eine sehr starke Alterung auf, die mit irreversiblem Kapazitätsverlust einhergeht.<ref>Thomas Waldmann, Marcel Wilka, Michael Kasper, Meike Fleischhammer, Margret Wohlfahrt-Mehrens: Temperature dependent ageing mechanisms in Lithium-ion batteries – A Post-Mortem study. In: Journal of Power Sources. Band 262, 2014, S. 129–135, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.03.112.</ref> Aus diesem Grund wird für die meisten Batterien 0 °C als untere zulässige Temperatur während des Ladevorgangs angegeben. Bei zu hohen Betriebstemperaturen bildet sich bei vielen Systemen durch Zersetzung des Elektrolyts eine Schicht auf der Anode, die den Zellinnenwiderstand stark erhöht. Die Temperatur während des Entladevorgangs wird von den meisten Herstellern deshalb auf 60 °C limitiert. Lithium-Ionen-Akkumulatoren erwärmen sich während des Entladevorgangs, besonders bei hohen Strömen. Die maximale Temperatur hängt dabei in vielen Fällen linear von der Entladerate ab.

Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus

Mechanische Belastung

Mechanische Beschädigungen wie in die Akkuzelle eindringende Objekte können zu inneren elektrischen Kurzschlüssen führen. Die hohen fließenden Ströme führen zur Erhitzung des Akkumulators. Dabei können Gehäuse aus Kunststoff schmelzen und entflammen. Unter Umständen ist ein mechanischer Defekt von außen auch nicht unmittelbar zu erkennen. Auch längere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen. Ebenso kann durch äußere Beschädigung Luft und insbesondere Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen und unerwünschte chemische Reaktionen hervorrufen.

Chemische Reaktionen

Bei einem geladenen Li-Ion-Akku kann es bei Überhitzung (auch lokal durch Überlastung) oder äußerer Beschädigung zu einem thermischen Durchgehen kommen, bei dem die im Akku gespeicherte Energie in kürzester Zeit durch direkte chemische Reaktion in Form von Wärme frei wird. Dadurch kann es zum Brand kommen, zuvorderst durch den organischen Elektrolyten und seine Zersetzungsprodukte.

Um einen klassischen Metallbrand handelt es sich hier nicht, da die Gesamtmenge an „metallischem“ (in Graphit intercaliertem) Lithium auch im geladenen Zustand nicht sehr groß ist, und durch die kompakte Bauform intern mit dem Metalloxid abreagiert. Gewöhnliche Löschmittel (Schaum, Kohlensäure, bes. Wasser durch die Kühlwirkung) sind daher wirksam und können gefahrlos verwendet werden.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref> Die mögliche Brandgefahr kann zu kostspieligen Rückrufaktionen der Hersteller führen.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

Abhilfe

Keramische, temperaturbeständigere Separatoren gewähren eine erhöhte Sicherheit. Ebenso können Zellchemikalien eingesetzt werden, die thermisch stabiler sind oder deren Zersetzung nicht exotherm abläuft. Beispielsweise können statt kostengünstiger Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren betriebssichere Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren eingesetzt werden: Diese weisen allerdings neben einem höheren Preis auch eine kleinere Energiedichte auf und erlauben keine derart kompakten Bauformen wie Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren.

Weitere unmittelbar in die Zelle integrierte Schutzmaßnahmen betreffen die elektrische Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem äußeren Zellanschluss. Die Verbindung kann so ausgeführt werden, dass sie wie eine Schmelzsicherung wirkt und zusätzlich beim Öffnen etwaiger Berstöffnungen abgerissen wird. Diese zellinternen Schutzmechanismen sind jedoch in der Regel irreversibel ausgeführt. Außer den zellinternen Schutzvorrichtungen gibt es innerhalb moderner Batterien meist weitere elektronische Schutzschaltungen. Deren Funktionen reichen von komplexen Batteriemanagementsystemen (BMS) mit Temperatursensoren, Ladeelektronik, Batteriezustandsüberwachung und externen Kommunikationsanschlüssen (smart batteries) bis zu einfachen, zumeist reversibel wirkenden Sicherheitsschaltungen, die lediglich die Überladung oder Überlastung der Batterie verhindern sollen.

In arbeitswissenschaftlichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Umgang mit leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkumulatoren wie deren Fertigung, Einbau, Lagerung, Entsorgung sowie bestimmte Betriebszustände nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitsschutz hat. Die Gefahren wie bei Arbeiten mit höheren elektrische Spannungen und die Handhabung von Gefahrstoffen der eingesetzten Zellchemie können durch Anpassung und konsequente Umsetzung bestehender Sicherheitsanforderungen minimiert werden.

Beispiele von Vorfällen

Im Automobilbau kommt es durch besonders hohe Sicherheitsanforderungen auf Grund der hohen installierten Energiemengen teilweise zu Verzögerungen beim Einsatz. So verschob Opel die Auslieferung des Ampera, als drei Wochen nach einem Crashtest eines baugleichen Chevrolet Volt die versuchsweise nicht ausgebaute, voll geladene Batterie überhitzte und zum Fahrzeugbrand führte.
Daraufhin wurde das Sicherheitskonzept der Traktionsbatterie überarbeitet.

Der Umgang mit brennenden Elektroautos stellt Pannendienste und Feuerwehren vor neue Herausforderungen, da z. B. für die Löschung wesentlich mehr Wasser benötigt wird. Zudem ist ein spezieller Kühlcontainer für den Abtransport erforderlich.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

Ein interdisziplinäres Wissenschaftsteam der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) untersucht gegenwärtig, welche Stoffe in welchen Mengen im Schadensfall austreten können. Dafür wurde ein Teststand für Brandversuche auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) errichtet.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

CO₂-Bilanz

Bei der Herstellung der Akkumulatoren entsteht Kohlenstoffdioxid. Während frühere Studien zum Ergebnis kamen, dass pro installierter Kilowattstunde Akku-Energiespeichervermögen etwa 70 kg Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden.

Abhängig von verschiedenen Faktoren wie z. B. dem Strommix für die Batterie-Herstellung liegt die Spanne zwischen 38 und 356 kg CO₂-eq/kWh. Es existieren verschiedene Möglichkeiten, diese CO₂-Emissionen zu reduzieren; beispielsweise durch die Senkung des Gesamtenergiebedarfs oder die Nutzung von Recyclingmaterialien. Als vermutlich erfolgversprechendste Maßnahme hierfür wird die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien in der Akkuproduktion angesehen.

Nach einer Studie, die im Auftrag der Europäischen Kommission erstellt wurde, können Elektrofahrzeuge bis 2050 fast CO₂-frei sein – und zwar unter Berücksichtigung des gesamten Lebensweges von der Herstellung über die Nutzung und das Recycling. Dafür muss der Strom, auch für die Fahrzeugherstellung, aus Erneuerbaren Energien kommen und das Recycling von Batterien muss realisiert sein.

Ökologische und sozio-ökonomische Herausforderungen in Lieferketten und Recycling

Ökologische und sozio-ökonomische Herausforderungen in Lieferketten für Lithium-Ionen-Batterien werden besonders mit Blick auf die Gewinnung von Lithium aus Salzsee-Solen in südamerikanischen Ländern (Chile, Argentinien) diskutiert.<ref>Vorlage:Internetquelle </ref> Probleme, die sich aus der Li-Extraktion aus Salzseen ergeben, werden vor allem im Zusammenhang mit Wasserknappheit und daraus erwachsenden sozialen Konflikten thematisiert. Seit etwa 2018 wurde jedoch Australien zum weltweit größten Lieferanten von Lithium, wobei Lithium im Festgestein-Bergbau produziert wird.

Das Lithium der Akkus wird derzeit (2019) nicht recycelt, da es sich nicht rentiert. Das könnte sich ändern, wenn die Anzahl batteriebetriebener Geräte steigt.

Um Lithium-Ionen-Akkumulatoren und primäre Lithium-Ionen-Batterien zu recyclen, werden verschiedene Grundoperationen zu komplexen Prozessketten kombiniert:<ref name="Recycling of Lithium-Ion Batteries" />

• Deaktivieren/Entladen (speziell für Traktionsbatterien)
• Demontage der Batteriesysteme (speziell für Traktionsbatterien)
• mechanische Prozesse (Schreddern, Sortieren, Sieben etc.<ref name="Recycling of Lithium-Ion Batteries" />)
• hydrometallurgische Prozesse
• pyrometallurgische Prozesse

Die weltweit erste kommerzielle Recycling-Anlage (PosLX) wurde 2017 von POSCO in Gwangyang, Südkorea, in Betrieb genommen. In dieser Anlage wird Lithiumphosphat aus alten Lithium-Ionen-Akkus durch das von POSCO patentierte Verfahren in Lithiumcarbonat, ein Vorprodukt für Lithium, umgewandelt. Die neue Fabrik hat eine Jahresproduktionskapazität von 2.500 Tonnen Lithiumcarbonat.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref> Europas größte Recycling-Anlage wird in Antwerpen von Umicore betrieben.<ref name="DLF_20190123">Vorlage:Internetquelle</ref> In Deutschland können 2020 etwa 20.000 Tonnen recycelt werden, was aber bei steigendem Elektrofahrzeug-Aufkommen nicht hinreichend ist.<ref>spektrum.de vom 9. Juni 2020, Die Altlast der Elektromobilität, abgerufen am 13. Juni 2020.</ref>

Bisher sind sämtliche Verfahren zum Recycling vom Energieverbrauch her nicht effizient.<ref name="DLF_20190123" />

In einer Studie aus dem Jahr 2020 wird über den Stand und die Perspektiven des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus der Elektromobilität berichtet.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Die Rückgewinnung von Lithium ist bislang noch in den wenigsten Verfahren realisiert bzw. befindet sich im Entwicklungsstadium. Darüber hinaus gibt es auch Aktivitäten zur Rückgewinnung des Graphits aus den Lithium-Ionen-Batterien. Zu den größten Herausforderungen in den verschiedenen Recyclingprozessen gehört die Beherrschung des Thermische Runaways sowie die hohe Brandlast einer Lithium-Ionen-Batterie.

Ausführungsformen

Zellchemie - Materialien an der Pluspolseite

Bezeichnung	(+)-Elektrodenmaterialien<ref>Lithium-Ionen-Batterien Batterieforum Deutschland (Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien e. V.)</ref>	Abkürzungen	Zell-Spannung	typ. Betriebsbereich	Laden (Ladeschluss-Spannung)	Entladen (Cut-Off Spannung)	Spezifische Energie	Ladezyklen
Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator	LiCoO2	ICR, LCO	3,6 V	3,0-4,2 V	0,7-1C (4,2 V)	≤ 1C (2,5 V)	150-200 Wh/kg	500-1000
Lithium-Mangan-Akkumulator	LiMnO2 / LiMn2O4	IMR, LMO, LMS	3,7-3,8 V	3,0-4,2 V	0,7-1C (4,2 V)	1C, manche Zellen 10C (2,5 V)	100-150 Wh/kg	300-700
Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator	LiNixMnyCozO2	INR, NMC, NCM	3,6-3,7 V	3,0-4,2 V	0,7-1C (4,2 V)	1C, manche Zellen 2C (2,5 V)	150-220 Wh/kg	1000-2000
Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator	LiNixCoyAlzO2	NCA	3,6 V	3,0-4,2 V	0,7C (4,2 V)	1C (3,0 V)	200-260 Wh/kg	500
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator	LiFePO4	IFR, LFP	3,2-3,3 V	2,5-3,65 V	1C (3,65 V)	1C, manche Zellen 25C (2,5 V)	90-120 Wh/kg	2000 und mehr

Materialien auf der Minuspolseite

Bezeichnung	(−)-Elektroden-material	Abkürzungen	Zell-Spannung	typ. Betriebsbereich	Laden (Ladeschluss-Spannung)	Entladen (Cut-Off Spannung)	Spezifische Energie	Ladezyklen
Lithium-Graphit-Akkumulator (Standard-Lithium-Ionen-Zelle)	C	C	3,2 V-4,0 V	3,4-3,8 V	1C	bis zu 10C
Lithiumtitanat-Akkumulator	Li4Ti5O12	LTO	2,4 V	1,8-2,85 V	1C (2,85 V)	bis zu 10C (2,5 V)	50-80 Wh/kg	3000-7000

Elektrolyte

Alle genannten Elektrodenmaterialien können mit einem Polymerelektrolyten kombiniert werden, so dass ein Lithium-Polymer-Akkumulator entsteht. Üblich sind flüssige Elektrolyte in einem porösen Separator.

Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator

Bei dem Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator besteht die positive Elektrode aus dem namensgebenden Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO₂). Nahezu alle handelsübliche Mobilelektronik verwendet Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren.

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide, kurz NMC oder auch NCM genannt, haben sich zum wichtigsten Material entwickelt, das in Traktionsbatterien verwendet wird. Die meisten Elektroautos einschließlich derer von Daimler oder BMW, aber abgesehen von den Produkten von Tesla und einigen chinesischen Herstellern, verwenden mit Stand 2019 NMC-Akkumulatoren.

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator

Der Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator ist eine Version des Lithium-Ionen-Akkumulators mit Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (LiNi_xCo_yAl_zO₂, NCA) als Kathodenmaterial. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Energiedichte (240–270 Wh/kg bei zyl. Zellen im Format 18650) und lange Lebensdauer aus. NCA-Zellen werden als Traktionsbatterie vor allem von Panasonic und Tesla hergestellt.

Lithium-Mangan-Akkumulator

Beim Lithium-Mangan-Akkumulator wird Lithiummanganoxid als Aktivmaterial in der positiven Elektrode eingesetzt. Die negative Elektrode, bei Entladung des Akkumulators die Anode, besteht entweder aus herkömmlichem Graphit (Hochenergiezellen) oder aus einer amorphen Kohlenstoffstruktur (Vorlage:Lang, in Hochleistungszellen). Durch die größere Anodenoberfläche ergibt sich eine verbesserte Hochstromfestigkeit. Die Zellen werden mit Stand 2012 sowohl in Pedelecs und E-Bikes verschiedener Hersteller (u. a. vom Schweizer Pedelec-Hersteller Flyer<ref>Flyer: Produktübersicht, aufgerufen 10. Mai 2012.</ref><ref>Flyer (NL): Abschnitt: Actieradius (Hinweis auf Verwendung der Lithium-Mangan-Technologie), aufgerufen 10. Mai 2012.</ref>), als auch in Hybridelektrokraftfahrzeugen (Bsp.: Nissan Fuga Hybrid, Infinity Mh) und Elektroautos (Bsp.: Nissan Leaf) eingesetzt. Großformatige Zellen für Traktionsbatterien fertigt beispielsweise AESC für Nissan.

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO₄-Akkumulator) ist eine Version des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herkömmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, eine sehr gute Temperaturstabilität und eine lange Lebensdauer aus. Die Nominalspannung beträgt 3,2 V beziehungsweise 3,3 V, die Energiedichte beträgt 100–120 Wh/kg

Weiterentwicklungen zur Verbesserung der technischen Eigenschaften sind Dotierungen mit Yttrium- (LiFeYPO₄) und Schwefelatomen.

Lithiumtitanat-Akkumulator

Der Lithiumtitanat-Akkumulator ist eine Unterkategorie des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei der die herkömmliche Graphitelektrode (negativer Pol) durch eine gesinterte Elektrode aus Lithiumtitanspinell (Li₄Ti₅O₁₂) ersetzt wird. Die wesentlich stärkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht, die eine der Hauptgründe für die schnelle Alterung vieler herkömmlicher Li-Ion-Akkus ist. Dadurch wird die Zahl der möglichen Ladezyklen erhöht. Da das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann, wird auch das thermische Durchgehen des Akkumulators verhindert, selbst bei mechanischen Schäden. Außerdem kann der Akkumulator aufgrund der Lithiumtitanat-Anode im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von −40 bis +55 °C betrieben werden.

Weitere Akkumulatortypen

Beim Dual-Carbon-Akkumulator bestehen beide Elektroden, sowohl die Kathode als auch die Anode, aus porösem Graphit. Dieser Akkumulatortyp befindet sich im Forschungsstadium und hat mit Stand 2019 noch keine wirtschaftliche Bedeutung. Er gehört nicht zu den Lithiumionenzellen im engeren Sinn, weil beim Entladen nicht wie üblich an der Pluspolseite Li⁺-Ionen eingelagert werden.

Spezielle Bauweisen

Lithium-Polymer-Akkumulator

Der Lithium-Polymer-Akkumulator stellt keine eigenständige Zellchemie dar, wenngleich die Mehrzahl aller am Markt befindlichen Lithium-Polymer-Akkumulatoren vom Typ der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren sind und damit umgangssprachlich oft gleichgesetzt werden. Die wesentliche Eigenschaft des Polymer-Akkumulators ist die Art der Gestaltung des normalerweise flüssigen Elektrolyts, welcher als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis vorliegt und somit im mechanischen Aufbau der Zelle verschiedenartige Gestaltungen wie den Aufbau flacher Zellen erlaubt. Die äußere Form der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen.

Verschiedenartige Materialkombinationen

Es stehen zahlreiche Materialkombinationen zur Speicherung von Lithiumionen zur Verfügung. Die chemischen Speichermaterialien verändern die Eigenschaften des Akkumulators entscheidend, so dass diese zur Einstellung auf spezielle Anforderungen genutzt werden können. Die Abbildung zeigt zahlreiche Kathoden- und Anodenmaterialien in einer Gegenüberstellung und weist den Potentialunterschied der Materialien aus.

Durch die zusätzliche Verwendung unterschiedlicher spezieller Separatoren (z. B. Keramikseparatoren),<ref>Mehr Reichweite für Elektroautos. Schott AG</ref> Elektrolyte (z. B. Ionische Flüssigkeiten) und Verpackungsmaterialien können weitere Eigenschaften des Akkumulators eingestellt werden, so dass diese auch extremen Anforderungen gerecht werden können.

Als besondere Anforderungen an Lithium-Ionen-Akkumulatoren gelten:

• Maximierung von Energiedichte (gewichts- oder volumenbezogen)
• Schnellladefähigkeit und Leistungsdichte
• Hoch- und Niedrigtemperaturfestigkeit
• Stoßfestigkeit und Eigensicherheit
• Strahlungstoleranz (z. B. Gammastrahlung in der Luft- und Raumfahrt)
• Hoch- und Niederdruckfestigkeit (bis Grobvakuum)
• Spezielle Formfaktoren für Folienkörper oder Anschlusspole
• Amagnetismus
• Biegeflexibilität

Obwohl diese Möglichkeiten bestehen, stützt sich die industrielle Massenfertigung auf die Verwendung von etablierten Speichermaterialien, wie z. B. Lithium-Cobalt(III)-oxid und Graphit. Nur wenige Spezialhersteller, wie z. B. das deutsche Unternehmen Custom Cells Itzehoe GmbH und das amerikanische Unternehmen Yardney Technical Products Inc., bieten Sonderlösungen an. Nebenstehende Abbildung zeigt einen vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) entwickelten Akkumulator, der in seiner Energiedichte, Druckresistenz und ungewöhnlichen Formgebung (sechseckig) für den Einsatz in einem Autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV)) optimiert wurde.<ref>tietEK: technology concept for inspectation and exploration of the deep sea, Fraunhofer IOSB.

Siehe auch:

• https://www.ffb.kit.edu/download/IMK%20Ber.%20Nr.%20192%20Kunkelmann%20Lithium-Ionen-%20und%20Lithium-Metall-Batterien%20Brandbekaempfung.pdf
  

BRANDSCHUTZ-FORSCHUNG DER BUNDESLÄNDER - Studie zur Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Batterien (Akkus) und Lithium-Metall-Batterien

• • Der UN 38.3 Test: Neue Nachweispflicht für lithiumhaltige Batterien, Akkus und Zellen

• Akku

• Lithium Batterien

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