Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku? Aufbau, Laden und Lebensdauer

Lithium-Ionen-Akkus versorgen Smartphones, Laptops, Akkuschrauber, E-Bikes und Elektroautos mit Energie. Sie speichern viel Energie auf kleinem Raum, lassen sich tausendfach laden und haben die Elektromobilität erst möglich gemacht. Für ihre Entwicklung erhielten John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino 2019 den Nobelpreis für Chemie.

Dieser Artikel erklärt, wie ein Lithium-Ionen-Akku aufgebaut ist, was beim Laden und Entladen passiert, was Kapazität und Energie bedeuten, warum Akkus altern und wie Sie ihre Lebensdauer verlängern.

Aufbau einer Akkuzelle

Kathode (Pluspol): ein Metalloxid oder -phosphat, das Lithium aufnehmen kann, etwa Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP).
Anode (Minuspol): meist Graphit, in dessen Schichten sich Lithium-Ionen einlagern.
Elektrolyt: eine Flüssigkeit oder ein Gel, durch das die Lithium-Ionen wandern.
Separator: eine poröse Folie zwischen den Elektroden, die Ionen durchlässt, aber einen Kurzschluss verhindert.

Was beim Laden und Entladen passiert

Entladen: Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode. Gleichzeitig fließen Elektronen über den äußeren Stromkreis, also durch das Gerät, und verrichten Arbeit.
Laden: Das Ladegerät drückt Ionen und Elektronen zurück zur Anode, wo die Ionen sich im Graphit einlagern.

Die Ionen pendeln also zwischen den Elektroden hin und her, deshalb spricht man auch vom „Schaukelstuhl-Prinzip“. Eine Zelle hat je nach Chemie eine Nennspannung von etwa 3,2 V (LFP) bis 3,7 V (NMC).

Schema einer Akkuzelle: Anode aus Graphit, Kathode aus NMC oder LFP, dazwischen Elektrolyt und Separator; beim Entladen wandern Lithium-Ionen zur Kathode, beim Laden zurück. — Beim Laden und Entladen pendeln die Lithium-Ionen zwischen den Elektroden.

Kapazität, Energie und Leistung

Kapazität in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh): wie viel Ladung der Akku speichert.
Energie in Wattstunden (Wh): Kapazität mal Spannung. Ein Smartphone-Akku mit 4.500 mAh und 3,85 V speichert 4,5 · 3,85 ≈ 17,3 Wh. Ein Elektroauto hat 50 bis 100 kWh, also etwa 3.000- bis 6.000-mal so viel.
Leistung: wie schnell Energie entnommen oder geladen werden kann, siehe Elektrische Leistung.

Für Flugreisen gilt eine Grenze von meist 100 Wh pro Akku im Handgepäck ohne Genehmigung; Powerbanks gehören grundsätzlich ins Handgepäck.

Vier Beispiele für gespeicherte Energie: Smartphone etwa 17,3 Wattstunden, Laptop 40 bis 100, Grenze im Handgepäck 100 Wattstunden, Elektroauto 50 bis 100 Kilowattstunden. — Energie in Wattstunden von Smartphone bis Elektroauto.

Zellchemien im Vergleich

NMC/NCA: hohe Energiedichte, Standard in vielen Elektroautos, Laptops und Smartphones (dort oft Lithium-Kobaltoxid).
LFP: etwas geringere Energiedichte, aber günstiger, langlebiger und thermisch stabiler; zunehmend in Elektroautos und Heimspeichern.
Natrium-Ionen-Akkus: eine neue Alternative ohne Lithium, mit geringerer Energiedichte, für stationäre Speicher und günstige Fahrzeuge.

Warum Akkus altern

Mit jedem Ladezyklus und mit der Zeit verliert ein Akku Kapazität. Ursachen sind chemische Nebenreaktionen, eine wachsende Schutzschicht auf der Anode (SEI) und mechanische Belastung der Elektroden. Besonders schädlich sind:

Hitze: über etwa 35 °C beschleunigt sich die Alterung deutlich.
Dauerhaft voller oder leerer Akku: hohe Spannung bei 100 % und Tiefentladung belasten die Zellen.
Schnellladen bei Kälte: kann zu Lithium-Ablagerungen auf der Anode führen.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht Spannung, Strom und Temperatur jeder Zelle und schützt vor Überladung, Tiefentladung und Überhitzung.

So hält Ihr Akku länger

Im Alltag zwischen etwa 20 und 80 % laden, wenn möglich; viele Geräte bieten eine Ladebegrenzung.
Akkus nicht in der Sonne, im heißen Auto oder unter dem Kopfkissen laden.
Zur Lagerung bei etwa 50 % und kühl aufbewahren.
Schnellladen ist erlaubt, aber nicht immer nötig; langsames Laden schont.

Speziell für Smartphones und Elektroautos lesen Sie auch Elektroauto laden.

Vier Tipps: zwischen 20 und 80 Prozent laden, Hitze vermeiden, bei 50 Prozent kühl lagern, langsam laden schont. — Vier Tipps für eine lange Akkulebensdauer.

Sicherheit

Beschädigte, aufgeblähte oder überhitzte Lithium-Ionen-Akkus können in Brand geraten (thermisches Durchgehen). Benutzen Sie keine beschädigten Akkus, laden Sie mit passenden Ladegeräten und lassen Sie Geräte beim Laden nicht unbeaufsichtigt unter brennbaren Materialien liegen. Alte Akkus gehören nicht in den Hausmüll, sondern in die Sammelboxen im Handel oder auf den Wertstoffhof.

Akku und Kondensator

Ein Akku speichert Energie chemisch und gibt sie über Stunden ab, ein Kondensator speichert sie im elektrischen Feld und gibt sie in Sekundenbruchteilen ab. Mehr dazu im Artikel Wie funktioniert ein Kondensator?

Fazit

Im Lithium-Ionen-Akku wandern Lithium-Ionen beim Entladen von der Graphit-Anode zur Kathode, während Elektronen durch das Gerät fließen; beim Laden geht es umgekehrt. Die Energie in Wattstunden ergibt sich aus Kapazität mal Spannung. Akkus altern durch Zyklen, Hitze und extreme Ladezustände; moderates Laden und Kühle verlängern ihre Lebensdauer. Weitere Alltagstechnik finden Sie in der Übersicht Alltagstechnik erklärt.