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. Das sind Anforderungen, die sich nur mit modernster Lithium-Akku-Technologie in die Realität umsetzen lassen.
Bei einem Lithium-Ionen-Akku oder auch LiIon-Akku, handelt es sich um einen wieder aufladbaren Speicher für elektrische Energie. Im Vergleich dazu ist eine Lithium-Ionen-Batterie lediglich für den einmaligen Gebrauch vorgesehen und kann nicht wieder geladen werden.
Der große Vorteil eines Lithium-Ionen-Akkus ist seine hohe Energiedichte. Oder anders ausgedrückt: Es steckt viel Strom in einem kleinen 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 Zelle ist ein Lithium-Ionen-Akku nicht geeignet, herkömmliche NiCd- oder NiMH-Akkus mit einer Spannungslage von 1,2 V pro Zelle zu ersetzen
Lithium-Ionen-Akkus sind kompakt und leistungsstark.
Wie jeder andere Akku oder wie auch eine herkömmliche Batterie besteht der Lithium-Ionen-Akku aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode) und einem Elektrolyt, der als Transportmedium für die Lithium-Ionen dient.
Der konkrete Aufbau sieht wie folgt aus:
Schematischer Aufbau eines LiIon-Akkus.
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 (+ 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 (- 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.
Die Funktionsweise soll anhand eines gängigen Lithium Cobaltdioxid-Akkus erläutert werden.
Der Ladevorgang
Beim Ladevorgang wird an den Elektroden eine Spannungsquelle bzw. ein Ladegerät (1) angeschlossen.
Durch die 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).
Dadurch würde sich die Lithium-Metall-Oxid-Schicht (6) positiv aufladen und die Graphitschicht (7) negativ.
Schaut man sich nun die Oxitationszahlen der Lithium-Metall-Oxid-Schicht an, ergibt sich folgendes Bild:
Lithium (8) hat die Oxitationszahl +I
Cobalt (9) hat die Oxitationszahl +III
Sauerstoff (10) hat die Oxitationszahl -II
Das Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO2) ist in diesem Zustand in sich ungeladen.
Das Ladegerät sorgt für eine Elektronenwanderung.
Die freien Li-Ionen wandern von der Kathode durch den Separator zur Anode.
Durch den Ladevorgang werden an der Kathode Elektronen abgezogen, wodurch das Cobalt zur Oxitationstufe IV weiter oxidiert wird.
Das Oxid würde dadurch in sich positiv geladen werden. Um dem entgegen zu wirken, verlassen die Lithium-Ionen das Oxid, wodurch dieses in sich dann wieder ungeladen ist.
Die nun freien Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyt und den Separator zur Anode (-Pol) des Akkus.
Dort gehen sie unter Aufnahme der 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 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 Cobalt von der Oxitationsstufe IV zurück auf die Stufe III.
Dadurch ist das 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 Elektrolyt und den Separator zurück zur Kathode. Dort verbinden sie sich wieder zu LiCoO2.
Die freien Li-Ionen wandern von der Anode zurück zur Kathode.
Geräte-Akkus
So schön die hohe Energiedichte bei Lithium-Ionen-Akkus 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 Ladestromimmer 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-Cobalddioxid-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 auch die Ladeschluss-Spannungen unterschiedlich hoch. Im Zweifelsfall hilft ein Blick in die technischen Datenblätter des Akkus.
Die Schutzschaltung wird direkt in die Akkuzelle eingebaut.
Akkupacks
Laden eines Modellbau-Akkus mit Balancer-Anchluss.
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. Wenn die Zellen eines Akkupacks 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 Lastwiderstandkurzzeitig entladen, damit alle Zellen des Akkupacks die bis auf 1/100 Volt gleiche Spannung aufweisen.
Das nebenstehende Bild zeigt den Anschluss zweier Akkupacks mit mehreren Zellen. Über die beiden äußeren Kabel (1) mit den Bananensteckern 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, zum Beginn der Ladung (t1) wird 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 5 A geladen werden. Auch wenn er zum Beginn des Ladevorgangs einen deutlich höheren Strom aufnehmen könnte.
Wenn die maximale 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. 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 Substanzen, desto leistungsfähiger und langlebiger ist der Akku.
Temperatur und Ladezustand bei der Lagerung
Ideal ist ein Ladezustand von 40 – 60 % bei kühler Lagerung. Einen ständig vollgeladenen Akku im warmen Umfeld zu lagern verkürzt die Lebensdauer drastisch.
Lade- und Entladetiefe
Ein Akku, der nur zu 50 % entladen und wieder geladen wird, schafft deutlich mehr Zyklen als bei einer Entladung von 100 %. Ebenso ist es vorteilhaft, den Akku nicht maximal voll zu laden bzw. bei einer minimalen Kapazitätsentnahme gleich wieder nachzuladen.
Hohe Ströme
Im Modellbaubereich werden hohe Lade- und noch höhere Entladeströme gefordert. Die damit verbundenen mechanischen und thermischen Belastungen der Zelle wirken sich ebenfalls sehr negativ auf die Zyklenzahl aus.
Die Bezifferung gibt Aufschluss über die Bauform und Größe des Akkus.
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 Endebeschreibt 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 und bei anderen ist er 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 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 LiPos dadurch auch extrem empfindlich gegen mechanische Beschädigungen. Ebenso verkraften diese Akkus keine Temperaturen unter 0 °C und über 60 °C.
LiPo-Akku in flacher Bauform für den Einsatz im Modellbau.
Die Lithium-Ionen-Technologie bietet viele Vorteile hat aber auch mit nicht unerheblichen Nachteilen zu kämpfen wie die nachfolgende Übersicht zeigt:
Vorteile:
- 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:
- 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 Ernstfall nur schwer zu löschen ist. Bei der Reaktion mit Wasser oder einer mechanischen Beschädigung wird sehr viel Wärme entwickelt und es entsteht neben ätzender Lithiumlauge leicht brennbarer Wasserstoff.
Bei korrekter Behandlung sind Lithium-Akkus eine sichere und leistungsstarke Spannungsquelle, 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.