Ratgeber
Moderne Mobilgeräte wie Smartphones, Tablets, Notebooks, Digitalkameras oder auch kabellose Elektrowerkzeuge müssen kompakt, handlich und leicht sein. Zudem müssen die Geräte lange Laufzeiten im Akkubetrieb aufweisen.
Und das, obwohl beispielsweise bei den Akkuwerkzeugen oder im Modellbaubereich der Strombedarf für die Antriebsmotoren sehr hoch ist.
Das sind Anforderungen, die sich aufgrund ihrer Widersprüchlichkeit nur sehr schwer miteinander vereinbaren lassen.
Dass es aber trotzdem funktioniert, stellen Lithium-Ionen-Akkus in den letzten Jahren unter Beweis. Warum diese Akkus klein, leicht und dennoch extrem leistungsstark sind, wollen wir etwas genauer betrachten.
Dabei möchten wir auch auf die Lithium-Akku-Technologie etwas genauer eingehen.
Bei einem Lithium-Ionen-Akku bzw. Li-Ion Akku oder LiIon-Akku handelt es sich um einen wiederaufladbaren Speicher für elektrische Energie. Im Vergleich dazu ist eine Lithium-Batterie lediglich für den einmaligen Gebrauch vorgesehen. Deshalb können und dürfen Lithium-Batterien auch nicht wieder aufgeladen werden. Der große Vorteil eines Lithium-Ionen-Akkus ist seine hohe Energiedichte. Oder anders ausgedrückt: Es steckt sehr viel Strom in einem kleinen LiIon-Akku!
Der Name des Akkus leitet sich von den Lithium-Ionen ab, die beim Laden bzw. Entladen zwischen den beiden Elektroden hin und her wandern und sich in den jeweiligen Elektrodenmaterialien einlagern.
Aufgrund der deutlich höheren Spannungslage von 3,3 – 3,8 V pro Lithium-Ionen-Zelle ist ein Li-Ion Akku nicht oder nur bedingt geeignet, einen Nickel Cadmium-Akku (NiCD) oder einen Nickel-Metall-Hydrid-Akku (NiMH) zu ersetzen. Denn bei Nickel-Akkus beträgt die Spannungslage lediglich 1,2 V pro Zelle.
Bei einem Akku-Pack ist es aber durchaus möglich, die höhere Kapazität und Energiedichte eines Li-Ionen-Akkus zu nutzen. Denn anstelle eines sechszelligen Nickel-Cadmium oder NiMH-Akku mit 7,2 V kann ein zweizelliger Lithium-Polymer-Akku mit 7,4 V verwendet werden.
Allerdings muss die nachgeschaltete Elektronik eine Tiefentladung des Li-Ionen-Akkus zuverlässig verhindern. Zudem muss zum Laden ein geeignetes Ladegerät für Lithium-Akkus verwendet werden.
Lithium-Ionen-Akkus sind kompakt und leistungsstark.
Wie jeder andere Akku oder wie auch eine herkömmliche Batterie besteht der Li-Ion Akku aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode) und einem Elektrolyten, der als Transportmedium für die Lithium-Ionen dient.
Der konkrete Aufbau sieht wie folgt aus:
Die Stromzuführung zu den Elektroden erfolgt über elektrisch leitfähige Schichten aus unterschiedlichem Material.
Für die Kathode, den Plus-Anschluss, wird Aluminium (1) als Leitungsschicht verwendet. Für die Anode, den Minus-Anschluss, wird Kupfer (2) als Leitungsschicht eingesetzt.
Die Kathode bzw. die positive Elektrode (+ Pol) besteht aus einem Lithium-Metalloxid (3), das unterschiedliche Anteile an Nickel, Cobalt oder Mangan beinhalten kann. Alternativ dazu wird auch Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial verwendet.
Die Anode bzw. die negative Elektrode (- Pol) besteht aus Kohlenstoff (4) oder besser gesagt Graphit, das in Schichten strukturiert ist. Anstelle von Graphit werden aber auch nanokristallines, amorphes Silicium, Lithiumtitanate oder Zinndioxid verwendet.
Wichtig:
Die Art und die Zusammensetzung der Elektroden entscheiden über die Spannungslage und elektrischen Eigenschaften des Akkus. Doch grundsätzlich gilt: Je gleichmäßiger und reiner die chemische Zusammensetzung, desto höher sind die Leistung und die Lebensdauer der Zelle. Damit die Lithium-Ionen als Ladungsträger in der Zelle hin und her wandern können, befindet sich zwischen den Elektronen ein wasserfreier Elektrolyt (5), der als Transportmedium dient. Zum Einsatz kommen unterschiedliche Salze wie u.a. Lithiumhexafluorphosphat oder Lithiumtetrafluorborat, die in aprotischen Lösungsmitteln wie Ethylen- oder Propylencarbonat gelöst sind. Damit die Lade- und Entladevorgänge ungestört ablaufen können, muss der Elektrolyt extrem rein sein.
Um zwischen den Elektroden einen Kurzschluss zu vermeiden, werden die Elektroden durch einen Separator (6) getrennt. Der Separator besteht aus einer mikroporösen Polyolefin-Membran, die lediglich für die winzigen Lithium-Ionen durchlässig ist.
Der Ladevorgang
Beim Ladevorgang wird an den Elektroden eine Spannungsquelle bzw. ein Ladegerät (1) angeschlossen. Am Plus-Pol des Ladegerätes besteht ein Elektronenmangel, wodurch Elektronen (elektrisch negativ geladene Elementarteilchen) aufgenommen werden können. Am Minus-Pol des Ladegerätes besteht ein Elektronenüberschuss. Hier werden beim Ladevorgang Elektronen abgegeben.
Durch die am Akku angelegte Ladespannung wandern Elektronen von der Kathode (+Pol) des Akkus (2) über das Ladekabel (3) zum Plus-Anschluss des Ladegerätes. Ebenso bewegen sich Elektronen vom Minus-Anschluss des Ladegerätes über das Ladekabel (4) zur Anode (-Pol) des Akkus (5).
Durch den Ladestrom würde sich die Lithium-Metall-Oxid-Schicht (6) positiv und die Graphitschicht (7) negativ aufladen.
Schaut man sich nun die Oxidationszahlen, also die Elementladungen eines Atoms innerhalb einer Verbindung, an, ergibt sich für die Lithium-Metall-Oxid-Schicht folgendes Bild:
Lithium (8) hat die Oxidationszahl +I
Kobalt (9) hat die Oxidationszahl +III
Sauerstoff (10) hat die Oxiationszahl -II
Das Lithium-Kobaltdioxid (LiCoO2) ist mit seinen zwei Sauerstoffatomen sowie einem Kobalt- und einem Lithium-Atom demzufolge in sich selber elektrisch ungeladen.
Abläufe innerhalb der Zelle beim Ladevorgang
Durch den Ladevorgang werden an der Kathode Elektronen abgezogen, wodurch das Kobalt zur Oxidationsstufe IV weiter oxidiert wird. Das Lithium-Kobaltdioxid würde dadurch in sich positiv geladen werden. Um dem entgegenzuwirken, verlassen die Lithium-Ionen das Oxid, wodurch dieses in sich dann wieder ungeladen ist.
Die nun freien Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten und den Separator zur Anode (-Pol) des Akkus. Dort gehen sie unter Aufnahme der durch die Ladespannung vorhandenen freien Elektronen mit der schichtartigen Struktur des Graphits eine Interkalationsverbindung (lateinisch intercalare = einschieben) ein.
Wenn alle Lithium-Ionen auf der Anodenseite angekommen und eingebettet sind, ist der Akku voll aufgeladen.
Der Entladevorgang
Beim Entladen werden die Interkalationsverbindungen an der Anode (-Pol) gelöst.
Das Lithium gibt dabei die aufgenommenen Elektronen wieder frei und wird zum positiv geladenen Lithium-Ion.
Da metallisches Lithium als unedles Metall seine Elektronen extrem leicht abgibt, läuft dieser Vorgang quasi automatisch ab.
Dazu müssen lediglich die Elektroden des Akkus mit einem äußeren Stromkreis inkl. Verbraucher verbunden werden.
Die vom Lithium abgegebenen Elektronen werden über den externen Stromkreis von der Anode (- Pol) über den Verbraucher zur Kathode (+ Pol) geleitet.
Dort reduzieren sie das Kobalt von der Oxidationsstufe IV zurück auf die Stufe III.
Dadurch ist das Kobalt-Oxid negativ geladen und kann nun wieder positiv geladene Lithium-Ionen aufnehmen.
Und genau das passiert auch. Denn nach der Abgabe des Elektrons wandern die Lithium-Ionen von der Anode durch den Elektrolyten und den Separator zurück zur Kathode.
Dort verbinden sie sich mit dem Cobalt-Oxid wieder zu LiCoO2.
Geräte-Akkus
So schön die hohe Energiedichte bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren auch ist, haben die Energiespender doch einen entscheidenden Nachteil:
Sie reagieren extrem empfindlich auf Überladung und Tiefentladung. In beiden Fällen werden die Lithium-Akkumulatoren irreparabel zerstört.
Bei fest eingebauten Akkus in Smartphones, Tablets, Notebooks oder auch bei Akkuwerkzeugen ist das soweit kein Thema. Denn in den jeweiligen Geräten wird eine entsprechende Elektronik verwendet, die den Akku vorschriftsmäßig lädt und zuverlässig vor Tiefentladung schützt.
Damit dies gewährleistet ist, müssen immer die zum jeweiligen Gerät gehörigen Ladegeräte genutzt werden.
Einzelzellen
Bei Einzelzellen für den individuellen Einsatz fehlen diese externen Geräte-Schutzeinrichtungen. Deshalb statten einige Hersteller ihre Akkus mit intelligenten Schutzschaltungen aus, die den Akku bei falscher Behandlung effektiv schützen.
Die Schutzschaltungen sind dann direkt in der Akkuzelle integriert. Doch auch mit integrierter Schutzschaltung muss der Anwender sich bei der Auslegung der Ladespannung und dem Ladestrom immer an die Herstellerangaben halten.
Wichtig dabei ist, dass mit der korrekten Ladespannung gearbeitet wird. Denn je nachdem, welche Substanzen für die Elektroden verwendet wurden, haben Lithium-Akkus unterschiedliche Nennspannungen:
Bei einem Lithium-Kobalddioxid-Akku liegt die Nennspannung bei 3,6 V.
Bei einem Lithium-Mangandioxid-Akku liegt die Nennspannung bei 3,7 – 3,8 V.
Bei einem Lithium-Eisenphosphat-Akku liegt die Nennspannung bei 3,3 V.
Dementsprechend sind die Ladeschluss-Spannungen als auch die zulässigen Entladeschluss-Spannungen unterschiedlich hoch. Im Zweifelsfall hilft ein Blick in die technischen Datenblätter des Akkus.
Akku-Packs
Bei Lithium-Akkus, die z.B. als Antriebsakkus im Modellbaubereich eingesetzt werden, sind keinerlei Schutzvorrichtungen vorhanden.
Hier muss der Anwender selber Sorge tragen, dass der Akku richtig geladen wird.
Wichtig:
Wenn die Zellen eines Akku-Packs in Serie geschaltet sind, muss zudem sichergestellt werden, dass alle Akkus die gleiche Spannung aufweisen.
Darum sind Modellbauladegeräte mit sogenannten Balancern ausgestattet. Während des Ladevorgangs werden durch den Balancer immer die Zellen mit der höchsten Spannung über einen Lastwiderstand kurzzeitig entladen, damit alle Zellen des Akku-Packs die bis auf 1/100 Volt gleiche Spannung aufweisen.
Das beigefügte Bild zeigt den Anschluss zweier LiPo-Akku-Packs mit mehreren Zellen an einem Modellbauladegerät. Über die beiden äußeren Kabel (1) mit den Hochstromsteckern fließt der Ladestrom. Die mehradrigen Leitungen (2) dienen zum Anschluss an den Balancer im Ladegerät.
Um Akkus mit unterschiedlichen Zellenzahlen laden zu können, werden für den Balancer-Anschluss Adapterplatten (3) verwendet.
Ladeverfahren
Ein Lithium-Ionen-Akku wird strom- und spannungsgeregelt geladen. Das bedeutet, am Beginn des Ladevorgangs wird zum Zeitpunkt "t1" der Ladestrom auf den maximal zulässigen Wert begrenzt. Wie hoch der Ladestrom sein darf, gibt der Akkuhersteller vor. Schnellladefähige Zellen können mit 1 C, 2 C oder sogar noch höher geladen werden.
Der Wert „C“ bezieht sich dabei immer auf den Kapazitätswert des Akkus. Wenn bei einem Akku mit einer Kapazität von 2500 mAh ein maximaler Ladestrom von 2 C zulässig ist, darf der Akku mit höchstens 5000 mA (5 A) geladen werden. Auch wenn er zum Beginn des Ladevorgangs einen deutlich höheren Strom aufnehmen könnte.
Wenn die maximal zulässige Ladespannung erreicht ist (t2), greift die Spannungsregelung und verhindert ein weiteres Ansteigen der Ladespannung. Demzufolge wird bei gleichbleibender Spannung der Ladestrom immer geringer. Wenn der Strom einen minimalen Wert erreicht hat (t3), ist der Akku voll aufgeladen.
Darstellung der Ladespannung (Blau) und des Ladestroms (Rot).
Die Anzahl der nutzbaren Lade-/Entladezyklen kann mehrere Hundert Zyklen betragen. Vorausgesetzt, es wird das passende Ladegerät verwendet und der Akku richtig genutzt. Wie viele Zyklen der Akku letztendlich in der Realität schafft, hängt von vielen Faktoren ab:
Art und Qualität des Akkus
Je reiner und hochwertiger die verwendeten chemischen Substanzen, desto leistungsfähiger und langlebiger ist der Akku.
Temperatur und Ladezustand bei Nichtgebrauch
Ideal ist ein Ladezustand von 40 – 60% bei kühler Lagerung. Einen komplett aufgeladenen Akku im warmen Umfeld zu lagern, verkürzt die Lebensdauer und somit die nutzbaren Ladezyklen drastisch. LiPo-Antriebs-Akkus im Modellbaubereich sollten erst unmittelbar vor dem Einsatz voll aufgeladen werden.
Lade- und Entladetiefe
Ein Akku, der nur zu 50% entladen und wieder geladen wird, schafft deutlich mehr Zyklen als bei einer max. Entladung. Ebenso ist es vorteilhaft, den Akku nicht maximal vollzuladen bzw. bei einer minimalen Kapazitätsentnahme von nur wenigen mAh nicht gleich wieder nachzuladen. Bei einem Ladezustand zwischen 30% und 70% fühlen sich Lithium-Akkus am wohlsten.
Pufferbetrieb vermeiden
Besonders Notebook-Akkus leiden, wenn sie von einer Docking-Station über Monate und Jahre hinweg stets auf einem Ladezustand von 100% gehalten werden. Besser ist es, den Akku durch einen mobilen Einsatz des Notebooks öfters zu entladen.
Hohe Ströme
Im Modellbaubereich werden hohe Lade- und noch höhere Entladeströme gefordert. Die damit verbundenen mechanischen und thermischen Belastungen der Zelle wirken sich ebenfalls negativ auf die Zyklenzahl und ursprüngliche Kapazität aus.
Umgebungstemperaturen
Der ideale Temperaturbereich für Lithium-Akkus ist im Bereich der Zimmertemperatur. Beim Ladevorgang sollte die Temperatur im Bereich von 5 °C bis 45 °C liegen, um eine längere Lebensdauer zu erzielen. Höheren Temperaturen durch z.B. Sonneneinstrahlung oder auch niedrigeren Temperaturen im Winter sollten die Akkus nicht ausgesetzt werden.
Mit diesen Zahlen werden die Bauformen eines Lithium-Akkus bezeichnet. Im Fall der 18650 bedeutet das, dass der LiIon-Akku einen Durchmesser von 18 mm aufweist und 65 mm lang ist. Die Null am Ende beschreibt die runde Bauform des Lithium-Ionen-Akkumulators.
Allerdings gibt es innerhalb der 18650er Baureihe Unterschiede.
Bei manchen LiIon-Akkus ist der Plus-Pol bündig mit dem Gehäuse ausgerichtet. Bei anderen ist der Plus-Pol erhaben bzw. steht hervor.
Alternativ dazu gibt es auch 18650er Zellen mit offenen Kabelenden, die an Platinen gelötet oder mit geeigneten Steckverbindern versehen werden können.
Bei einem Lithium-Polymer-Akku oder auch LiPo-Akku liegt der sonst flüssige Elektrolyt in einer festen bis gelartigen Folie auf Polymerbasis vor.
Das ermöglicht den Aufbau von flachen Zellen, wobei ein LiPo Akku aber auch andere Bauformen aufweisen kann.
LiPo-Akkus kommen ohne festes Gehäuse bzw. Metallmantel aus und haben somit ein sehr geringes Gewicht.
Das ist auch der Grund, warum LiPo-Akkus bei Modellfliegern sehr beliebt sind.
Allerdings sind LiPo- Akkus durch die verhältnismäßig einfache und leicht verformbare Folienummantelung extrem empfindlich gegen mechanische Beschädigungen.
Sollte die Schutzfolie bei einem Absturz des Modells Schaden nehmen, besteht akute Brandgefahr.
Ebenso verkraften diese Akkus keine Temperaturen unter 0 °C und über 60 °C.
Vorteile von Lithium Ionen Akkus:
- Sehr große Energiedichte, die deutlich über der von Nickel-Metallhydrid-Akkus liegt.
- Deutlich höhere Spannungslage (3,3 – 3,8 V) gegenüber NiMH-Akkus (1,2 V).
- Kleinere Bauform und geringeres Gewicht gegenüber NIMH-Akkus mit gleicher Kapazität.
- Hohe Strombelastbarkeit und kurze Ladezeiten sind ideal für den Einsatz im Modellbaubereich oder in Akku-Werkzeugmaschinen.
- Geringe Selbstentladung macht einen Einsatz auch lange nach dem Laden möglich.
- Neue Akkus sind sofort einsatzbereit und müssen nicht erst formiert werden.
- Ein Memory-Effekt (Verringerung der nutzbaren Kapazität bei minimalem Laden und Entladen) ist nicht vorhanden.
Nachteile von Lithium Ionen Akkus:
- Hohe Empfindlichkeit gegen Überladung. Für den Ladevorgang müssen geeignete Ladegeräte verwendet werden, welche die Ladeschluss-Spannung exakt einhalten.
- Hohe Empfindlichkeit gegenüber Tiefentladung. In der Anwendung muss eine Spannungsüberwachung vorhanden sein, um den Akku vor zu tiefer Entladung zu schützen.
- Hohe Empfindlichkeit gegenüber zu hohen und zu niedrigen Temperaturen. Die ideale Betriebstemperatur liegt bei ca. 20 – 40 °C. Bei höheren und niedrigeren Temperaturen sinkt die Leistungsfähigkeit.
- Lithium ist ein sehr reaktionsfreudiges und leicht brennbares Metall, das im Brandfall nur schwer zu löschen ist. Bei der Reaktion mit Wasser oder der Luftfeuchtigkeit in Folge einer mechanischen Beschädigung der Akkuzelle wird sehr viel Wärme und Rauch entwickelt. Zudem entsteht neben ätzender Lithiumlauge auch leicht brennbarer Wasserstoff.
Bei korrekter Behandlung sind Lithium-Akkus sichere und leistungsstarke Spannungsquellen, deren Vorteile die Nachteile bei Weitem aufheben. Das ist auch der Grund, warum Lithium-Akkus bei Geräteherstellern sehr beliebt sind. Allerdings muss man sich beim täglichen Umgang mit diesen Stromspeichern auch über eventuelle Risiken im Klaren sein. Besonders dann, wenn eigene Schaltungs- Applikationen mit Ladefunktion rund um die Akkus entwickelt werden.