Wie Lithium-Ionen-Akkus funktionieren und länger halten

Smartphones, Laptops, E-Bikes und Elektroautos haben eines gemeinsam: Sie werden von Lithium-Ionen-Akkus angetrieben. Diese Energiespeicher sind leicht, leistungsfähig und wiederaufladbar. Doch was passiert eigentlich beim Laden und Entladen im Inneren? Und warum verlieren Akkus mit der Zeit an Kapazität? Dieser Beitrag erklärt die Chemie hinter dem Akku und gibt praktische Tipps für eine lange Lebensdauer.

Der Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

Was beim Laden und Entladen passiert

Ein Akku wandelt chemische Energie in elektrische Energie um und umgekehrt. Grundlage sind Redoxreaktionen, bei denen Elektronen von einem Stoff auf einen anderen übergehen. Beim Entladen werden an der Anode Lithiumatome oxidiert, sie geben Elektronen ab und wandern als Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis und versorgen das Gerät mit Energie. An der Kathode werden Elektronen aufgenommen, es findet eine Reduktion statt. Beim Laden kehrt sich der Vorgang um. Wer die Grundlagen von Redoxreaktionen und Elektrochemie verstehen möchte, findet in Lernmaterialien zur physikalischen Chemie ausführliche Erklärungen zu Spannungsreihe, Elektroden und galvanischen Zellen.

Eine nobelpreiswürdige Erfindung

Für die Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus erhielten John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino 2019 den Nobelpreis für Chemie. Ihre Arbeiten in den 1970er- und 1980er-Jahren schufen die Grundlage für die heutige mobile Elektronik und die Elektromobilität. Hintergründe bietet der Wikipedia-Artikel zum Lithium-Ionen-Akkumulator.

Warum Akkus altern

• Grenzschicht: An der Anode bildet sich eine Schutzschicht, die mit der Zeit wächst und Lithium bindet.
• Hitze: Hohe Temperaturen beschleunigen unerwünschte Nebenreaktionen.
• Tiefentladung: Sehr niedrige Ladezustände können die Zellen schädigen.
• Volle Ladung: Dauerhaft hohe Ladezustände belasten die Kathode.
• Schnellladen: Hohe Ströme können die Alterung beschleunigen, besonders bei Kälte.

Tipps für eine lange Lebensdauer

1. Hitze vermeiden: Geräte nicht in der Sonne oder im heißen Auto liegen lassen.
2. Mittlere Ladezustände bevorzugen: Viele Hersteller bieten Funktionen, die das Laden auf einen Teil der Kapazität begrenzen.
3. Tiefentladung vermeiden: Akkus nicht über längere Zeit leer liegen lassen.
4. Bei Lagerung teilweise laden: Für längere Pausen einen mittleren Ladezustand wählen.
5. Originalzubehör nutzen: Geeignete Ladegeräte schützen vor Überlastung.

Sicherheit und Entsorgung

Beschädigte oder aufgeblähte Akkus können sich stark erhitzen und in Brand geraten. Sie sollten nicht weiter genutzt und fachgerecht entsorgt werden. Akkus gehören nie in den Hausmüll, sondern zu Sammelstellen im Handel oder bei Wertstoffhöfen. Die darin enthaltenen Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel lassen sich teilweise zurückgewinnen. Die Europäische Union hat mit einer neuen Batterieverordnung Regeln zu Recycling, Rohstoffquoten und austauschbaren Akkus in Geräten eingeführt.

Neue Akkutechnologien

Forschung und Industrie arbeiten an Alternativen, etwa Festkörperakkus mit festem statt flüssigem Elektrolyten oder Natrium-Ionen-Akkus, die ohne Lithium auskommen. Ziel sind höhere Energiedichten, mehr Sicherheit und weniger kritische Rohstoffe.

Akkus im Winter

Bei Kälte laufen die chemischen Reaktionen im Akku langsamer ab. Das Smartphone zeigt dann schneller einen niedrigen Ladestand an oder schaltet sich ab, obwohl noch Energie vorhanden ist. Bei Elektroautos sinkt die Reichweite im Winter spürbar, auch weil Energie für die Heizung benötigt wird. Akkus sollten bei Kälte möglichst nicht schnell geladen werden. Ein im Auto vorgeheizter Akku oder ein Gerät in der Jackentasche verhält sich deutlich besser. Wird der Akku wieder warm, steht in der Regel auch die gewohnte Kapazität wieder zur Verfügung.

Akkus im Chemieunterricht

Galvanische Zellen, Spannungsreihe und Elektrolyse gehören zum Lehrplan der Oberstufe. Der Akku im eigenen Smartphone ist ein anschauliches Beispiel, um diese Themen greifbar zu machen.

Wer ein Gerät länger nicht benutzt, sollte den Akku regelmäßig kontrollieren und bei Bedarf nachladen.

Fazit

Lithium-Ionen-Akkus sind ein Paradebeispiel für angewandte Elektrochemie. Wer versteht, wie Redoxreaktionen in Anode und Kathode ablaufen, kann auch nachvollziehen, warum Hitze und extreme Ladezustände schaden. Mit ein paar einfachen Gewohnheiten lässt sich die Lebensdauer des Akkus deutlich verlängern.