Akkumulatoren: Lithium Akku & Blei Akku

Ein Akkumulator, kurz Akku, ist ein wiederaufladbares galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, das elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichert. Ein einzelnes wiederaufladbares Speicherelement wird Sekundärelement oder Sekundärzelle genannt, im Gegensatz zur nicht wiederaufladbaren Primärzelle.

Beim Entladen wird durch Anschliessen eines elektrischen Verbrauchers der Stromkreis geschlossen. Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur anderen Halbzelle und schliessen somit den Stromkreis. Zum Laden des Akkus werden durch Anlegen einer Ladespannung (höher als die Zellspannung) die Redoxreaktion umgekehrt. Der Akku wird nun als Elektrolysezelle betrieben. Nach dem Aufladen steht der Akku somit erneut als Energiequelle zur Verfügung.

In einem Akkumulator findet eine umkehrbare Redoxreaktion statt.

Viele solcher Zellen können in Reihe geschaltet werden, wobei sich die Spannung addiert. Werden die Zellen parallel verbunden, so addiert sich der Strom. So können z.B. in elektrischen Fahrzeugen durch Zusammenschluss kleiner Zellen Ströme von 900 Volt und 60 Ampere erreicht werden.

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt.

 $$Chemische Energie \Leftrightarrow Elektrische Energie$$​​

Lithium Akku

Ein Lithium Akku ist wohl der am häufigsten verwendeten Akkutyp. Du findest ihn in deinem Handy, in Laptops, in Elektrofahrzeugen und als stationären Zwischenspeicher für Solar und Windenergie.

Im Akkumulator können Lithiumionen ($$Li^+$$) frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern. Im Gegensatz zu den Lithiumionen ist die Übergangsmetall- und Grafit Schicht der Elektroden ortsfest und durch einen Separator von einem direkten Kontakt geschützt. In den meisten Li-Ion-Akkus besteht der Minuspol aus Grafit. Der Pluspol wird aus einem Lithium-Metalloxid gebildet. Die Zellspannung beträgt zwischen 3.6 bis 4.2 Volt.

Beim Entladen fliessen die im Grafit eingeschlossenen Elektronen über den angeschlossenen Verbraucher zur Lithium-Metalloxidelektrode. Gleichzeitig wandert eine entsprechende Anzahl an Lithiumionen aus dem Grafit in den Elektrolyten. Der wohl zwei wichtigsten Vertreter des Lithiumakkus sind:

Lithium-Cobaltdioxid Akku

Dieser Akku besitzt Lithium-Cobalt(III)-oxid ($$LiCoO_2$$​) als positivem Elektrodenmaterial.

Halb-Reaktion der positiven Elektrode (Lithium-Cobaltdioxid-Schicht):

$$CoO_2 + Li^+ + e^- \Leftrightarrow LiCoO_2$$​​

Halb-Reaktion der negativen Elektrode (Grafitschicht):

 $$LiC_6 \Leftrightarrow 6C + Li^+ + e^-$$​​

Gesamtreaktion (Links: Laden, Rechts: Entladen):

 $$LiC_6 + CoO_2 \Leftrightarrow 6C + LiCoO_2$$​​

​Dieser Akku besitzen eine gute Energiedicht und eignet sich deshalb besonders gut für mobile Energiespeicher wie Fahrzeuge, Smartphones, Laptops und Elektrofahrräder.
80 % aller hergestellten Akkus basieren heutzutage auf dieser Chemie.

Lithium-Eisen-Phosphat Akku

Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Eisen-Phosphat. Ein solcher Akkumulator hat gegenüber dem herkömmlichen Lithium-Cobaltoxid Akku eine geringere Energiedichte, jedoch ist seine Lebensdauer mit rund 3000 Zyklen um das 10-fache höher. Zudem ist er durch das Eisenphosphat günstiger in der Herstellung. Solche Akkus werden heutzutage für den stationären Energiespeicher eingesetzt. Hast Du gewusst, dass Lithium gewichtsmässig nur ungefähr 2 Prozent in einem Akku vorhanden ist. Zudem gib es genug Lithium auf unserer Erden, sodass wir vollständige auf elektrische Mobilität und erneuerbar Energien umsteigen können.

Blei-Akku

Ein Bleiakkumulator, kurz Blei-Akku, ist ein Akkumulator, bei dem die Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure bestehen.

Negativer Pol: $$Pb+SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 + 2e^-$$​​

​Positiver Pol: ​$$PbO_2 + SO_4^{2-}+4H^++2e^- \rightarrow PbSO_4 + 2H_2O$$​​
Gesamtreaktion beim Laden und Entladen: $$Pb + PbO_2 + H_2SO_4 \Leftrightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O$$​​

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Vorteile eines Blei-Akkus sind seine Robustheit und Temperaturbeständigkeit, jedoch ist dieser Akku durch das Blei schwer und umweltschädlich. Allmählich werden Blei-Akkus durch Lithium-Ionen-Akkus ersetzt.