Lithium-Ionen-Batterie: Der Clou steckt in den Materialien

Auch vor dem Lithium-Ionen-Akku gab es bereits wiederaufladbare Batterien und es gibt sie bis heute. Die Funktionsweise ist prinzipiell die gleiche, der Clou hinter dem Siegeszug der Nobelpreis-gewürdigten Entwicklung steckt in den Materialien.

"Der Schlüssel zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie war die Entdeckung von Stoffen, die Lithium-Ionen über lange Zeiträume speichern können", erklärte Vanessa Wood von der ETH Zürich im Gespräch mit der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Trotz zahlreicher Weiterentwicklungen der Lithium-Ionen-Akkus haben viele der heute verwendeten Materialien sehr ähnliche Eigenschaften wie die von den frisch gekürten Nobelpreisträgern entdeckten.

Lithium hat den Vorteil, sehr leicht Elektronen abzugeben. Wird die Batterie an ein Gerät oder eine Glühbirne angeschlossen, geben Lithium-Atome an der Anode (Pluspol) je ein Elektron ab. Es bleiben positiv geladene Lithium-Ionen zurück. Diese wandern angezogen von der negativen Elektrode (Minuspol oder Kathode) durch den Elektrolyt zum Minuspol. Die Elektronen nehmen den "Umweg" durch einen angeschlossenen Stromkreis und bringen beispielsweise die Glühbirne zum Leuchten.

Die grosse Errungenschaft der Lithium-Ionen-Batterie war ihr geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Kapazität, erklärte Wood. Die von Stanley Whittingham, John Goodenenough und Akira Yoshino entwickelten Materialien ebneten den Weg für die Entwicklung weiterer Batteriematerialien.

Batterien für die Energiewende

Auch heute noch sind zahlreiche Forschungsgruppen weltweit daran, Batteriematerialien zu erforschen und weiter zu entwickeln. So auch in der Schweiz. Beispielsweise arbeitet Vanessa Wood mit ihrem Team daran, die Leistungsfähigkeit und Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

"2015 war noch die Mehrheit der weltweit produzierten Batterien für Unterhaltungselektronik bestimmt, also Smartphones, Tablets und so weiter. In den letzten Jahren steigt jedoch der Bedarf für Elektrofahrzeuge und Stromspeicher für erneuerbare Energien", so Wood. Das bringe neue Anforderungen mit sich: Die Lebensdauer von Batterien müsse für den Einsatz in Fahrzeugen verlängert und das Aufladen schneller werden.

Eine weitere Herausforderung sei das Recycling: "Hier müssen die Technologien besser werden. Das Recycling für Bleiakkus, wie sie als Starterbatterie in Autos eingesetzt werden, ist bereits sehr effizient. Für Lithium-Ionen-Batterien war es bisher günstiger, die Rohstoffe neu zu schürfen als sie zu recyclen." Das werde sich dank Weiterentwicklungen in den nächsten Jahren vermutlich ändern.

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