Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für den Übergang zu sauberer Energie

Lithiumbatterien speichern die Energie effizient, was sie zu einer hervorragenden Wahl für den Einsatz in Elektro- oder Freizeitfahrzeugen macht. Lithiumbatterien behalten auch über längere Zeit einen extrem hohen Ladezustand bei.

Da die Lithiumionen über den Elektrolyten von der Anode zur Kathode fließen, gehören zu den gängigen Anodenmaterialien Kohlenstoff und Silizium; Kathoden bestehen aus Metalloxiden wie Spinell, Nickel-Kobalt-Mangan oder Lithium-Eisenphosphat als Kathoden.

1. Energiespeicherung

Lithium-Ionen-Batterien haben in der jüngeren Geschichte eine der größten Auswirkungen gehabt; sie haben den Weg für die Revolution der Elektromobilität geebnet und dienen nun als Schlüsselkomponenten für eine saubere Energiewende. Sie werden in immer mehr tragbaren Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt - Laptops und Mobiltelefone, Elektroautos, Plug-in-Hybridfahrzeuge, Energiespeichersysteme für den Hausgebrauch usw.

Batterien bestehen aus fünf Hauptelementen: einer Anode, einer Kathode, einem Separator zwischen den Elektroden, einer Elektrolytlösung, die die Lithiumionen durch Elektrolyse transportiert, und Stromabnehmern aus Kupfer und Aluminium für den Anschluss an Drähte. Beim Aufladen legt eine externe Stromquelle eine Überspannung an, die Elektronen von den positiven Elektroden zu den negativen Elektroden treibt und die Lithiumionen durch Elektrolyse zwischen Anode und Kathode transportiert; beim Entladen verhält es sich umgekehrt: Die Lithiumionen verlassen eine Elektrode und lagern sich zwischen den Elektroden ein, während freie Elektronen über die Drähte abfließen und den Strom liefern, der unsere Geräte mit Energie versorgt.

Eine Anode kann aus verschiedenen Materialien bestehen, aber Graphit und Lithiumkobaltoxid sind zwei der beliebtesten Anodenmaterialien. Kathoden bestehen in der Regel aus Metallen wie Nickel-Kobalt-Aluminium oder Lithium-Eisen-Phosphat; ihre chemische Zusammensetzung bestimmt letztlich die Batterieleistung: Nickel-Kobalt-Aluminium bietet beispielsweise eine längere Lebensdauer, während Lithium-Eisen-Phosphat kostengünstiger sein kann.

Derzeit entfällt der größte Teil der LiB-Produktionskosten auf die Herstellung der Elektroden und die Endbearbeitung der Zellen - zwei Prozesse, die zu den zeit- und energieintensivsten gehören; sie beanspruchen insgesamt etwa 40% der Batteriekapazität. Da jedoch die Rohstoffkosten sinken und die Produktionskapazitäten erweitert werden, dürften die LiB-Preise im Laufe der Zeit weiter sinken.

2. Sicherheit

Aufgrund ihres brennbaren flüssigen Elektrolyts stellen falsch konstruierte und hergestellte Lithiumbatterien ein Sicherheitsrisiko dar, wenn sie beschädigt oder unsachgemäß geladen werden, was zu Bränden oder Explosionen führen kann. Es wurde viel Arbeit in die Verbesserung ihrer Konstruktion und Herstellung gesteckt, um dieses Risiko zu verringern; die Lithium-Ionen-Technologie wird auch genutzt, um Festkörperbatterien ganz ohne Elektrolyt herzustellen.

Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter den wiederaufladbaren Batterietypen durch eine extrem hohe Energiedichte aus, d. h. kleinere Zellen können die gleiche Energiemenge liefern wie größere Batterien - ideal für tragbare Geräte wie Telefone und Digitalkameras, Elektrofahrzeuge, Wohnmobile und andere Geräte, die eine effiziente Energieversorgung bei geringem Gewicht benötigen.

Der Hauptvorteil dieses Batterietyps besteht darin, dass er nicht unter dem Memory-Effekt leidet; daher können Sie seine volle Kapazität nutzen, ohne befürchten zu müssen, dass er mit der Zeit an Leistung verliert. Beachten Sie jedoch, dass die Chemie des Akkus Hitze nicht sehr gut verträgt, so dass die Lagerung bei höheren Temperaturen zu irreparablen Schäden führen kann.

Daher ist es wichtig, die Gebrauchsanweisung Ihres Akkus sorgfältig zu lesen, um zu wissen, wie Sie ihn am besten pflegen und seine Lebensdauer verlängern können. Generell gilt: Wenn Sie den Akku kühl halten und nicht überladen, verlängern Sie seine Lebensdauer und gewährleisten eine optimale Leistung.

3. Leichtgewicht

Nickel-Cadmium- und später Nickel-Metallhydrid-Batterien waren über 100 Jahre lang die Standardwahl für tragbare Elektronikgeräte, von Mobiltelefonen bis hin zu Laptops, bis Anfang der 1990er Jahre Lithium-Ionen als alternative Technologie aufkam. Lithium-Ionen-Zellen sind leichter und leistungsfähiger als ihre Vorgänger und haben eine doppelt so hohe Energiedichte. Außerdem können sie mit 3,6 V geladen und entladen werden, was die Entwicklung von Akkupacks mit nur einer Zelle ermöglicht.

Lithiumbatterien sind in Laptops, Elektrofahrzeugen und schnurlosen Elektrowerkzeugen zu finden. Lithiumbatterien eignen sich hervorragend für die Speicherung von Solarenergie, da sie sich schnell auf- und entladen lassen. Sie eignen sich auch hervorragend für Notstromlösungen wie USV-Systeme oder Notstromversorgungen.

Temperatur und Nutzungsmuster wirken sich erheblich auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien aus, einschließlich der Verschlechterung durch Hitzeeinwirkung und häufiges Überladen. Hitze beschleunigt die Degradation, während häufiges Überladen sie weiter beschleunigt; Lithium-Ionen-Batterien sollten niemals über längere Zeiträume extremen Temperaturen ausgesetzt werden.

Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien, von denen jede eine Reihe von Vor- und Nachteilen mit sich bringt. Ihre Anwendung, Ihr Budget und Ihre Sicherheitstoleranz bestimmen, welcher Lithium-Akkutyp Ihren Anforderungen am besten entspricht. Zu den vier gängigsten Batterietypen gehören LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 und Lithium-Polymer-Batterien - jede bietet ihre eigene, ausgeprägte Chemie, hat aber grundlegende Gemeinsamkeiten wie die Verwendung von Lithium-Ionen zur Speicherung elektrischer Energie, die durch eine Isolierschicht zum Schutz der Elektroden voreinander und durch ein Anodenmaterial wie LiCoO2 geschützt sind; LiNMC verwendet kombinierte Mangan- und Nickel-Kathoden, die sowohl eine hohe spezifische Energie als auch eine ausgezeichnete Stabilität bieten - jede bietet eine hohe spezifische Energieleistung zu erschwinglichen Kosten!

4. Umweltfreundlich

Lithium-Ionen-Batterien sind eine unverzichtbare Technologie für die Umstellung unseres Verkehrs- und Stromsektors von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen. Dank ihrer langen Lebensdauer, ihrer hohen Energiedichte und ihrer Schnellladefähigkeit eignen sich Lithium-Ionen-Batterien ideal für den Betrieb von Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen oder Laptops und schärfen gleichzeitig das Bewusstsein der Verbraucher für die Energienutzung.

Lithium-Ionen-Batterien mögen zwar viele Umweltvorteile bieten, doch ihre Herstellung und Entsorgung ist nach wie vor mit Umweltbelastungen verbunden. Lithium-Ionen-Batterien enthalten entflammbare flüssige Elektrolyte, die bei unsachgemäßer Entsorgung giftige Stoffe in die Umwelt freisetzen können, die die Boden- und Wasserqualität gefährden; bei unsachgemäßer Entsorgung können sie auch Brände in Mülldeponien und Batterierecyclinganlagen auslösen.

Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien hinterlässt einen enormen CO2-Fußabdruck, da die Rohstoffe aus der Erde abgebaut und gewonnen werden, z. B. durch den Abbau von Hartgestein, bei dem pro Tonne 15 Tonnen CO2 freigesetzt werden. Außerdem erfordert die Gewinnung dieser Mineralien große Mengen an Energie, die hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe für die Gewinnung stammt.

Abgebaute Batteriekomponenten wie Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und Aluminiumfolie verursachen ebenfalls Treibhausgasemissionen, die zum Klimawandel beitragen, während ihr Transport und ihre Auslieferung die CO2-Bilanz unseres Planeten weiter verschlechtern.

Wenn Lithium-Ionen-Batterien ihr Lebensende erreicht haben, werden sie zu Elektronikschrott (E-Schrott). Leider werden viele von ihnen nicht ordnungsgemäß recycelt - sie landen oft in kommerziellen Abfallströmen und auf Mülldeponien, wo sie versehentlich kurzgeschlossen oder unsicher zerlegt werden können, um kleine wertvolle Teile für Erntezwecke zu gewinnen. Dies führt häufig zu Bränden, die wiederum zum Klimawandel beitragen.

5. Wiederverwertbar

Lithiumbatterien enthalten auch andere Metalle wie Nickel, Kobalt und Kupfer sowie organische Chemikalien und Kunststoffe, die bei ihrer Entsorgung giftige Abwässer in die Gewässer leiten und Brände verursachen können, wenn sie in Abfallbehandlungszentren entsorgt werden; die UK Environmental Services Association berichtete von 250 Batteriebränden zwischen 2019 und 2020 allein in Abfallbehandlungszentren! Darüber hinaus stellen Lithiumbatterien ein Sicherheitsrisiko dar, wenn sie zerdrückt oder durchstochen werden - dadurch können ihre Kathoden kurzgeschlossen werden, was zu einer inneren Verbrennung führt - laut der European Steel Recyclers Conference wurden 90% dieser Brände durch kleine Lithiumbatterien verursacht!

Aus aktuellen Statistiken geht hervor, dass weltweit nur etwa fünf Prozent der Batterien recycelt werden; viele werden einfach weggeworfen oder direkt auf Deponien entsorgt. Ein Grund dafür könnte ihre komplexe Zusammensetzung sein, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, die in der Regel 22% Kobalt, 5-10% Nickel und 5-7% Lithium enthalten; außerdem können sie 15% organische Chemikalien und 7% Kunststoffe enthalten.

Obwohl das Recycling von Lithiumbatterien technisch möglich ist, ist der Prozess teuer und zeitaufwändig, ganz zu schweigen von der Ineffizienz. Ein Spezialist für Energiespeicher erklärt, dass sie, um wirklich effektiv zu sein, hochreine Rohstoffe benötigen, über die wir derzeit nicht verfügen.

Das PNNL hat ein bahnbrechendes Verfahren entwickelt, bei dem EOL-Batterien zerkleinert und pulverisiert werden, um das Recycling von Lithiumbatterien billiger zu machen. Der Einsatz hydrometallurgischer und pyrometallurgischer Techniken zur Rückgewinnung von Metallen in alten Batterien zur Verwendung als Rohstoff für neue Batterien könnte schließlich die Nachfrage nach Seltenerdmineralien oder -metallen verringern, deren Angebot in Zukunft eingeschränkt werden könnte.

Im Kern bezieht sich die Kreislaufwirtschaft auf die Schaffung eines endlosen Kreislaufs, bei dem die Batterien zunächst in einem Elektrofahrzeug verwendet werden, bevor sie recycelt und in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden.