In den Schulbüchern sind die Lade- und Entladezyklen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren längst angekommen. In frühen Phasen der Batterieentwicklung bildeten sich nadelförmige Ablagerungen, welche zu einem Kurzschluss innerhalb der Batterie sorgte. Begleitet von einer großen Wärmeentwicklung, sodass gelegentlich Rückrufaktionen verbauter Akkus etwa in Mobiltelefonen vonnöten sind. Der hohe Anwendungsbezug macht das Thema nicht nur wichtig im Unterricht – drei Forscher, die an der Entwicklung beteiligt waren, werden mit dem Chemienobelpreis im Dezember 2019 geehrt.
Mix der Materialien
Wie in jeder elektrischer Spannungsquelle trennt eine Membran den Minus- von Pluspol. Den Minuspol bilden Graphit oder Graphen, also Schichten von wabenförmig verknüpften Kohlenstoff-Sechsringen. Die Anode besteht aus einer Lithium-Cobaltoxidschicht. Wesentlich ist der richtige Elektrolyt, dessen Anionen die trennende Membran nicht durchwandern, wohl aber Lithiumionen.
Der Elektrolyt muss wasserfrei sein, damit Lithium nicht damit reagiert. Es eignen sich organische Lösungsmittel, in denen ein Lithiumsalz gelöst ist.
Die Redoxreaktion
Am Minuspol werden beim Laden zusätzliche Elektronen in die Kohlenstoffschichten eingelagert und delokalisiert. Die negative Ladung zieht Lithiumionen aus dem Elektrolyten an und Einlagerungsverbindungen von Lithium im Kohlenstoffgitter entstehen.
Die Quelle dieser Lithiumionen ist letztlich der Pluspol. Hier oxidiert das Lithium-Cobalt(III)-oxid zu einem gemischt-valenten Lithium-Cobalt (III, IV)-oxid und Lithiumionen werden freigesetzt (2 LiCoO2 ⇆ LiCo2O4 + Li+ + e–). Die wandernden Ionen sind Ladungsträger, bleiben aber beim Laden und Entladen in der Stoffbilanz erhalten. Lediglich die Elektronen fließen beim Entladen ab und werden beim Beladen wieder ins System überführt. Da die Ionen ihre Bewegungsrichtung ändern wird auch vom Prinzip des Schaukelstuhls ("rocking-chair"-Effekt) gesprochen.
Die Preisträger
Die Batterietechnik entwickelte im Wesentlichen Akira Yoshino von der Meijo University in Nagoya (Japan), die Grundlagen der Redoxchemie hierfür entwickelten maßgeblich M. Stanley Whittingham, University of New York (USA) und der in Jena geborene John B. Goodenough, heute an der University of Texas (USA).
Zum Weiterlesen:
Versuche mit Lithium-Ionen-Akkus in der ChiuZ (2014) (Link)
Bericht inklusive der englischsprachigen Grafiken des Nobel-Komitees (Link)
