Elektroautos und Lithiumionen-Akkumulatoren
(Dahn & Ehrlich, 2011)
Wie im letzten Kapitel beschrieben, speichern Elektroautos ihre Energie nicht in Form eines Stoffes, der Energie enthält, sondern in einem Akkumulator. Hierfür wird ein Lithium-Ionen-Akku verwendet.
Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus
Jeder Akkumulator besteht aus zwei zentralen Komponenten (hier dargestellt am Beispiel des Lithium-Ionen-Akkumulators):
- Die Kathode besteht aus Aluminium und ist umgeben von einem Salz aus Oxid-, Lithium-Ionen und Ionen eines Übergangsmetalls. Diese Ionen können mit unterschiedlichen Ladungen vorliegen. Beispielsweise können Eisen-Ionen als Fe²⁺ oder Fe³⁺ auftreten. Im ungeladenen Zustand des Akkus liegt Eisen mit der niedrigeren Ladung (Fe²⁺) vor. In aktuelleren Lithium-Ionen-Akkus werden zusätzlich weitere Ionen verwendet.
- Die Anode besteht aus Kupfer und ist umgeben von Graphit, einem Kristall aus Kohlenstoff-Atomen. Diese Kohlenstoff-Atome bilden Gitter, die als Sechsecke angeordnet und übereinander gestapelt sind.
Lade- und Entladevorgang eines Lithium-Ionen-Akkus
Beim Laden des Akkumulators passiert Folgendes:
- Elektronendefizit an der Kathode:
Übergangsmetall-Ionen (z. B. Eisen) geben Elektronen ab, wodurch ihre Ladung erhöht wird (z. B. Fe²⁺ → Fe³⁺). - Bewegung der Lithium-Ionen:
Durch die positive Ladung der Salzstruktur wandern die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. - Graphit-Struktur an der Anode:
Der Elektronenüberschuss an der Anode führt dazu, dass die Graphit-Struktur negativ geladen wird. Die Lithium-Ionen gleichen dies aus, indem sie sich zwischen den Gittern des Graphits anordnen.
Beim Entladen läuft der Prozess in die entgegengesetzte Richtung ab, wodurch Gleichstrom erzeugt wird. In der dargestellten interaktiven Visualisierung werden diese Vorgänge beim Laden und Entladen auf drei unterschiedlichen Ebenen dargestellt.
Anleitung: An den Schiebereglern den Zustand und die Betrachtungsebene verändern und ablaufende Vorgänge des Elektroautos beobachten. Lithiumionen-Akkus wie auch Wasserstoffzellen sind beides galvanische Zellen, welche entsprechend ihrer Anwendung optimiert wurden und daher einen komplexeren Aufbau aufweisen.
© Zerouali, A., Brinkmann, J., Frömmel, M. & Koenen, J. (2024) Toolbox Lehrerbildung – ViFoNet Fortbildungsmodul: Elektroautos und Lithiumionen-Akkumulatoren. (URL).