Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Wir erklären die Basics einer Elektroauto-Batterie

Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus

06:17

Stefan Leichsenring

Von: Stefan Leichsenring

4. Jul. 2022 um 09:00 Uhr

Als bevorzugte Quelle InsideEVs auf Google hinzufügen

Ob Tesla Model S Plaid oder Renault Zoe: Jedes aktuelle Elektroautoauto hat eine Lithium-Ionen-Batterie. Oder korrekter: einen Lithium-Ionen-Akku, denn nur Akkus sind aufladbar. Aber wie funktioniert so ein Ding eigentlich? Wir erklären die Basics.

Einen guten Einstieg in das Thema gibt schon mal das oben gezeigte Video der ZDF-Sendung Terra X. Ein klein wenig genauer erklären wir das Ganze hier. Ein Lithium-Ionen-Akku besteht im Prinzip aus vier Komponenten: einer Anode, einer Kathode, dem Elektrolyten und dem Separator. Die Anode besteht normalerweise aus Graphit. Diese Kohlenstoff-Modifikation hat den Vorteil, dass sie mit Lithium so genannte Interkalationsverbindungen bildet.

Graphit (Kohlenstoffschichten in Schwarz/Grau) mit eingelagerten Lithium-Ionen (rot)

Zwischen den Kohlenstoffschichten des Graphits (grau/schwarz) können sich Lithium-Atome (rot) einlagern

Eine solche Verbindung kann man sich so vorstellen wie ein Regal, in das Bücher gestellt werden. In dieser Vorstellung sind die Lithium-Atome die Bücher. Der Abstand der Regalbretter (den Kohlenstoffschichten im Graphit) ändert sich bei der Einlagerung nicht oder nur wenig. Das Graphit kann Lithium also leicht aufnehmen und auch wieder abgeben, ohne dass Volumenänderungen eintreten (die zu Materialspannungen führen könnten).

Die Kathode besteht in der Regel aus einem Mischoxid, also einer Sauerstoffverbindung, an der neben Lithium auch noch andere Metalle wie Nickel, Mangan oder Cobalt beteiligt sind (zum Beispiel LixMnyOz oder LiyCoyOz).

Der flüssige Elektrolyt (Festkörperbatterien mit festen Elektrolyten sind noch nicht Stand der Technik) erlaubt vor allem eine Wanderung der Lithium-Ionen, während der Separator vor allem einen elektrischen Kontakt zwischen Anode und Kathode verhindert, der einen Kurzschluss zur Folge hätte. Die Lithium-Ionen können den Separator jedoch ungehindert passieren.

Im geladenen Akku liegen Lithiumatome zwischen den Kohlenstoffschichten des Graphits – das ist die erwähnte Interkalationsverbindung. Beim Entladen des Akkus (also wenn das E-Auto fährt) gibt das Lithium ein Elektron ab, das über die elektrische Leitung in Richtung Kathode abfließt. In der Grafik unten ist das Elektron gelb eingezeichnet:

Lithium-Ionen-Akku Entladen

Auf dem Weg wird das Elektron im Motor für den Antrieb des Elektroautos genutzt. Aus dem Lithium-Atom ist durch das Abwandern des Elektrons ein positiv geladenes Lithium-Ion (Li+) entstanden, das durch den Elektrolyten zur Kathode wandert (oben rot eingezeichnet).

An der Kathode treffen dann ein Li+ und ein Elektron (e-) ein. Das Elektron vereinigt sich nun aber nicht mit dem Lithium-Ion, sondern mit einem der anderen Metall-Ionen, zum Beispiel mit einem Mangan-Kation, dessen Ladung sich dadurch verringert. Bei einer Lithium-Manganat-Kathode zum Beispiel wird aus vierfach positiv geladenem Mangan (Mn4+) ein dreifach positiv geladenes Mangan-Ion (Mn3+).

Beim Laden kehrt sich der Prozess um: Das Ladegerät pumpt Elektronen von der Kathode zur Anode. Diese Elektronen werden dem Mischoxid entnommen. Bei unserer Lithium-Manganat-Kathode gibt also das Mangan wieder ein Elektron ab:

Lithium-Ionen-Akku Laden

In der Kathode entsteht also aus Mn3+ wieder Mn4+ und das Elektron wandert zur Anode. Parallel bewegt sich das Lithium-Kation durch den Elektrolyten zum anderen Pol und vereinigt sich dort mit dem Elektron zum ungeladenen Lithium. Damit ist wieder der Ausgangszustand erreicht.

Andere Batteriechemien:

Batteriehersteller CATL präsentiert Natrium-Ionen-Akku

Mullen setzt auf Lithium-Schwefel-Batterien von NexTech

Diesen Artikel teilen

Meistgelesen

Alle elektrischen Mittelklasse-SUVs 2026: Modelle, Preise und Reichweiten

BMW iX7 (2028): Erlkönig zeigt riesige Doppelniere und geteilte Scheinwerfer

Das 2CV-Pendant von Fiat soll den Namen Koala tragen

VW ID. Cross jetzt ab 27.995 Euro: Neue Versionen mit 37-kWh-Akku bestellbar

AKTUELLSTE ARTIKEL

Alle elektrischen Mittelklasse-SUVs 2026: Modelle, Preise und Reichweiten 20 Okt. - Elektroauto-Listen
BMW iX7 (2028): Erlkönig zeigt riesige Doppelniere und geteilte Scheinwerfer 20 Okt. - Erlkönige
Retro-Charme auf vier Rädern: Microlino präsentiert exklusive 55 Edition 20 Okt. - News
Das 2CV-Pendant von Fiat soll den Namen Koala tragen 19 Okt. - Gerüchte
Smart #5: Basisversion Pro gestrichen, alle Modelle laden mit 800 Volt 19 Okt. - Modellübersichten
VW ID. Cross jetzt ab 27.995 Euro: Neue Versionen mit 37-kWh-Akku bestellbar 19 Okt. - Preise
Mercedes-AMG GT SUV: Elektro-SUV mit bis zu 860 kW und 710 kW Ladeleistung 17 Okt. - Neuvorstellungen

Auch interessant

Warum Verbrauch und Akkukapazität nicht die Reichweite ergeben

Alle elektrischen Mittelklasse-SUVs 2026: Modelle, Preise und Reichweiten

LFP-Batteriezustand verschlechtert sich bei stets voller Ladung

BMW iX7 (2028): Erlkönig zeigt riesige Doppelniere und geteilte Scheinwerfer

Im EV mit elektronischen Türschlössern gefangen: Was zu tun ist

Retro-Charme auf vier Rädern: Microlino präsentiert exklusive 55 Edition

Batterie-Professor erklärt, wie Ladekurven zustande kommen