Lithium Ionen 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-Metallhydrid-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.

Durch die Ladespannung entsteht an der positiven Elektrode des Akkus ein Elektronenmangel und am Minuspol des Akkus ein Elektronenüberschuss. Die hat zur Folge, dass aus der positiven Elektrode negativ geladene Elektronen abgezogen werden und gleichzeitig positiv geladene Lithium-Ionen das Oxid verlassen. Mit Hilfe des Elektrolyten wandern die Li-Ionen durch den Separator zur negativen Elektrode. Unter Aufnahme der dort zur Verfügung stehenden Elektronen werden aus den Lithium-Ionen wieder elektrisch ungeladene Atome, die sich in die Graphitschicht des Li-Ionen-Akkus einbetten.

Sobald die Elektroden des Akkus über einen externen Stromkreis und einen Verbraucher verbunden werden, beginnt der Entladevorgang. Beim Entladen gibt das Lithium an der negativen Elektrode sein aufgenommenes und negativ geladenes Elektron wieder ab und wandert als positiv geladenes Lithium-Ion durch den Elektrolyt und den Separator zurück zur positiven Elektrode. Zusammen mit den Elektronen, die über den Stromkreislauf inklusive Verbraucher an die positive Elektrode gelangen, verbindet sich das Lithium-Ion chemisch wieder zum ursprünglichen Lithiumoxid.

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 sowohl die Ladeschluss-Spannungen als auch die zulässigen Entladeschluss-Spannungen unterschiedlich hoch. Im Zweifelsfall hilft ein Blick in die technischen Datenblätter des Akkus.

Bei Lithium-Akkus, die z.B. als Antriebsakkus im Modellbaubereich eingesetzt werden, sind keine 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.

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).

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 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.