Funktionsweise eines Lithium-Ionen Akkus
Um die Gefährdungen durch Lithium-Energiespeicher beurteilen zu können, kann die Kenntnis um ihre Funktionsweise sehr hilfreich sein. Wichtig zu wissen: Es gibt nicht „den einen“ Lithium-Akku. Stattdessen existiert eine Vielzahl verschiedener Energiespeichersysteme, in denen Lithium in reiner oder gebundener Form verwendet wird. Grundlegend unterscheidet man in primäre (nicht wieder aufladbare) und sekundäre (wieder aufladbare) Lithium-Ionen Zellen. Im allgemeinen Sprachgebrauch sind in der Regel letztere gemeint, wenn wir von Lithium-Ionen Batterien oder besser von Lithium-Ionen Akkumulatoren sprechen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Funktionsweise und chemischen Eigenschaften eines Lithium-Akkus.
Funktionsweise
Ein Akkupack setzt sich je nach Leistung aus mehreren Zellen zusammen. Jede Lithium-Ionen Zelle besteht aus einer positiven und einer negativen Elektrode, der Anode und der Kathode. Zwischen ihnen befindet sich ein ionenleitender Elektrolyt. Dieser garantiert den Transport der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden während des Lade- bzw. Entladevorgangs. Die bekannteste Form von Lithium-Energiespeichern sind die Lithium-Ionen Akkumulatoren, in welchen ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist der Separator. Er verhindert den direkten Kontakt zwischen Anode und Kathode und beugt somit einem Kurzschluss vor. Beim Entladen werden auf der Anodenseite Lithium-Ionen und Elektronen abgegeben. Die Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis und verrichten die elektrische Arbeit. Gleichzeitig wandern die Lithium-Ionen über die Elektrolytflüssigkeit und durch den Separator hindurch zur Kathode. Beim Aufladen kehrt sich dieser Vorgang um.
Je nach System können der Aufbau und die verwendeten Materialien eines Lithium-Ionen Akkus variieren. Im Lithium-Polymer-Akkumulator wird der Elektrolyt in das Molekülgerüst einer Polymerfolie eingebunden. Dadurch kann auf den gesonderten Separator verzichtet werden. Lithium-Polymer-Energiespeicher können nur geringe Entladeströme generieren. Allerdings erlaubt die Polymerfolie eine flache Bauform, weshalb solche Energiespeicher vor allem in Mobiltelefonen und Laptops Verwendung finden. Die Dünnschicht-Lithium-Zelle ist ein Energiespeicher, in dem der Elektrolyt durch ein ionen-leitfähiges Glas ersetzt wird. Dies ermöglicht den Einsatz von Lithiummetall und somit eine extrem hohe Energiedichte. Diese Technik ist derzeit ein wichtiger Teil der Lithium-Energiespeicher-Forschung.
Chemische Eigenschaften
Während die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) Lithium-Ionen-Batterien gemäß der REACH-Verordnung als Erzeugnisse betrachtet, stuft die amerikanische Arbeitsschutzbehörde (OSHA) die Batterien als Gemische ein. Die Praxis zeigt, dass viele Unternehmen, auch ohne rechtliche Verpflichtung, ein Sicherheitsdatenblatt für Lithium-Batterien anfertigen und zur Verfügung stellen. Diese geben in der Regel wertvolle Hinweise zur Lagerung und Handhabung der Batterien. Aber auch zur chemischen Zusammensetzung lassen sich häufig Angaben finden, die Aufschluss zur Gefährlichkeit geben. Grundlegend lässt sich eine Lithium-Batterie in Anode, Elektrolytflüssigkeit und Kathode gliedern.
Als Anodenmaterial wird in der Regel Graphit (C) verwendet, welches gemäß CLP-Verordnung nicht kennzeichnungspflichtig ist.
Bei der Kathode kommen viele unterschiedliche Stoffe zum Einsatz. Die genaue Zusammensetzung des Kathodenmaterials bestimmt maßgeblich Eigenschaften wie Lebensdauer, Ladezeiten und Leistungsfähigkeit. In der Kathode werden häufig Eisen, Mangan, Kobalt oder Nickel eingesetzt.
Die Elektrolytflüssigkeit besteht aus einem organischen Lösungsmittel und einem Leitsalz. Während es eine große Vielzahl an möglichen Lösemitteln gibt, wird als Leitsalz fast ausschließlich Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt.
Elektrolytflüssigkeit = organisches Lösemittel + Leitsalz (LiPF6)
Welche genaue chemische Zusammensetzung das jeweilige Lösemittelgemisch aufweist, ist im Regelfall Herstellergeheimnis. Durch die Sichtung diverser Datenblätter lässt sich jedoch ein Überblick über die verwendeten Bestandteile gewinnen. Die Flammpunkte der Lösemittel-Bestandteile bewegen sich in einem Rahmen von +160°C bis teilweise unter 0°C. Dadurch lässt sich die thermische Instabilität einer Lithium-Batterie erklären.
In dem Leitsalz ist u.a. Fluor (F) enthalten. Durch freiwerdende Flusssäure (HF) in unkonzentrierter Form können bei einer havarierten Lithium-Batterie verschiedene Gefährdungssituationen entstehen.
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