Wie funktioniert ein Akku? Ein Blick in den Lithium-Ionen-Akku

Handys, Laptops, kabellose Kopfhörer, Elektroautos: Fast alles, was wir mit uns tragen, läuft mit derselben Art Akku. Jede Nacht stecken Milliarden Menschen ihre Geräte ein. Doch was passiert eigentlich im Inneren, wenn ein Akku lädt – und warum hält er nach ein paar Jahren immer weniger?

Ein Akku ist eine kontrollierte chemische Reaktion

Ein Akku hat zwei Elektroden, eine negative und eine positive. Dazwischen liegt ein Elektrolyt, der geladene Atome, Ionen, durchlässt, Elektronen aber nicht. Elektronen kommen nur über einen äußeren Stromkreis von einer Seite zur anderen – etwa durch dein Handy. Dieser Elektronenfluss ist der Strom, der das Gerät betreibt.

In einer normalen Einwegbatterie werden die Chemikalien verbraucht, und das war’s. In einem Akku lässt sich die Reaktion umkehren.

Im Inneren eines Lithium-Ionen-Akkus

• Die negative Elektrode besteht meist aus Graphit: Kohlenstoffschichten, gestapelt wie Buchseiten.
• Die positive Elektrode ist ein lithiumhaltiges Metalloxid, etwa mit Kobalt, Nickel, Mangan oder Eisen.
• Ein dünner, poröser Kunststoff-Separator trennt sie, und ein flüssiger Elektrolyt durchtränkt alles.

Laden: Das Ladegerät drückt Elektronen in den Graphit. Zum Ladungsausgleich verlassen Lithium-Ionen das Metalloxid, durchqueren den Elektrolyten und schlüpfen zwischen die Graphitschichten. Der Akku ist „voll“: Viel Lithium sitzt in einer unbequemen, energiereichen Position.

Benutzen: Schaltest du das Handy ein, fließen die Lithium-Ionen zurück zum Metalloxid, und ihre Elektronen nehmen den Weg durch die Schaltkreise des Handys. „Leer“ ist der Akku, wenn das meiste Lithium wieder auf der positiven Seite ist.

Die Ionen pendeln einfach hin und her – manche Fachleute sprechen daher vom „Schaukelstuhl“-Akku.

Warum Lithium?

Lithium ist das leichteste Metall und gibt sein Elektron sehr bereitwillig ab. So lässt sich viel Energie in einem kleinen, leichten Paket speichern. 2019 erhielten John Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino für die Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus den Nobelpreis für Chemie. Sony brachte 1991 die erste kommerzielle Version auf den Markt.

Warum Akkus altern

Jeder Zyklus verursacht kleine, unumkehrbare Veränderungen. Auf dem Graphit wächst ein dünner Film, die Festelektrolyt-Grenzschicht, und hält etwas Lithium fest, das sich nicht mehr bewegen kann. Die Elektroden dehnen sich bei jedem Laden leicht aus und ziehen sich zusammen, wodurch winzige Risse entstehen. Nach Hunderten Zyklen speichert der Akku weniger und liefert weniger Leistung – deshalb geht ein altes Handy bei Kälte oder niedrigem Akkustand plötzlich aus.

Laut Forschung zur Alterung von Lithium-Ionen-Zellen sind die größten Faktoren hohe Temperaturen, lange Zeiten bei sehr hohem Ladestand und Tiefentladungen. Daraus folgen einfache Gewohnheiten:

• Handy vor Hitze schützen: heiße Autos, pralle Sonne, Kopfkissen beim Laden.
• Wenn vorhanden, optimiertes oder begrenztes Laden nutzen, das den Akku oft bei etwa 80 % hält.
• Lieber häufig zwischendurch laden, statt bis auf null zu leeren.

Kurz gesagt

• Ein Lithium-Ionen-Akku speichert Energie, indem er Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden bewegt.
• Laden drückt die Ionen in den Graphit; beim Benutzen fließen sie zurück zum Metalloxid.
• Elektronen fließen durch den Stromkreis des Geräts und liefern den Strom.
• Lithium ist das leichteste Metall und speichert viel Energie auf kleinem Raum.
• Akkus altern durch kleine, unumkehrbare Nebenreaktionen bei jedem Zyklus.
• Hitze, lange Zeit bei 100 % und Tiefentladungen beschleunigen die Alterung.