Lithium-Ionen-Akkus

Die leistungsfähigsten Akkus sind Lithium-Akkus. Sie weisen bei kleinster Bauweise die höchste Energiedichte auf. Gerade wegen der hohen Energiedichte der Lithium-Zellen sind diese besonders gut für mobile Geräte geeignet. In Wearables, Smartphones, Tablets, Digitalkameras und Notebooks sind Lithium-Akkus weit verbreitet.
Allerdings sind Lithium-Akkus teuer und reagieren wesentlich empfindlicher auf falsche Behandlung als andere Akkus. Außerdem sind sie absolut giftig für die Umwelt. Dafür bieten sie ein hohes Maß an Komfort. Sie bleiben mit Kapazitätsverlust etwa 5 Jahre funktionstüchtig.

Die Nennspannung der Lithium-Zellen ist abhängig vom Elektrodenmaterial und liegt bei 3,6 oder 3,7 V. Wegen der höheren Spannung eignen sie sich nicht als Ersatz für Akkus (1,2 V) und Batterien (1,5 V) in AA- oder AAA-Bauweise.

Der Markt für akkubetriebene Kleinstgeräte zeigt einen Trend zur Miniaturisierung. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf solcher Systeme. Deshalb wird an noch leistungsfähigeren Akkus geforscht, wobei es hier nur kleine Entwicklungsschritte gibt.

Hinweis: Das Basteln mit Lithium-Zellen ist nichts für Anfänger und Elektronik-Einsteiger. Die Gefahr vor Explosionen durch falsche oder fehlerhafte Ladeschaltungen ist viel zu groß.
Weil Lithium-Akkus empfindlich auf Überladung und Tiefentladung reagieren, ist eine Elektronik in den Akku-Pack eingebaut, die sie vor zu hoher und zu tiefer Ladung schützen.

Übersicht: Lithium-Akkus

  • Lithium-Ionen (Li(NixCoyMnz)O2): weit verbreitet, umweltschädlich
  • Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4): ungefährlich, Memory-Effekt, komplizierte Ladeschaltung notwendig
  • Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2): am teuersten, die höchste Energiedichte, gefährlich

Aufbau von Lithium-Ionen-Zellen

Aufbau und Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Zelle

Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer Grafit-Elektrode (negativ) und einer Lithium-Metalloxyd-Elektrode (positiv). Das Lithium-Metalloxyd kann variable Anteile an Nickel, Mangan und Kobalt (z. B. Li(NixCoyMnz)O2) haben. Diese NMC-Materialien haben eine hohe Energiedichte und sind bei kleinen Geräten erste Wahl. Auch wenn sie teurer und potentiell unsicherer sind. Die genaue Zusammensetzung hat Einfluss auf die Eigenschaften des Lithium-Ionen-Akkus und ist je nach Hersteller und Güteklasse unterschiedlich. Deshalb sind exakte Aussage zu Kapazität und Lebensdauer nicht möglich.

Die Ladungsträger sind die Lithium-Ionen. Sie haben eine geringe Größe und eine hohe Beweglichkeit. Sie lagern sich beim Laden der Zelle zwischen den Molekülschichten des Grafits ab. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück zur Lithium-Metalloxyd-Elektrode.

Lithium ist das leichteste Metall und reagiert heftig mit Wasser. Deshalb kommt als Elektrolyt ein wasserfreies, aber brennbares Lösungsmittel zum Einsatz. Das Lösungsmittel ist der Grund, warum es gelegentlich Meldungen von explodierenden oder brennenden Lithium-Akkus gibt. Hierbei hat sich das Elektrolyt entzündet. Die genaueren Gründe sind vielfältig. In der Regel kommt es zu Akku-Rückrufaktionen, wenn fehlerhafte Lithium-Akkus festgestellt werden.
Die Elektroden werden durch einen Separator getrennt, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern. Der Separator ist für die Lithium-Ionen durchlässig. Die Kathode wirkt wie ein Schwamm. Sie kann so eine große Zahl von Ionen aufnehmen. So entsteht eine Energiedichte von 180 Wh/kg und mehr.

Lade- und Entlade-Funktion

Das Laden erfolgt mittels des I/U-Ladeverfahrens, bei dem der Akku erst mit Konstantstrom und dann mit Konstantspannung aufgeladen wird. Dabei wandern die Lithium-Ionen ins Grafit und Sammeln sich zwischen den Molekülebenen. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück zur Lithium-Metalloxyd-Elektrode.

Die Ladeschlussspannung liegt bei 4,1 bzw. 4,2 Volt und muss auf 50 Millivolt genau eingehalten werden. Sonst wird die Zelle zerstört. Die unterste Spannungsgrenze liegt bei 2,5 Volt. Darunter wird die Zelle beschädigt. Unter 1,5 Volt kommt es zur Brandgefahr.
Um Schäden an den Zellen zu verhindern, hat jeder Akkupack eine eigene Lade- und Schutzelektronik. Sie überwacht beim Laden und Entladen die Einhaltung der Grenzwerte. Sie ist an die Lithium-Zellen angepasst.
Je nach Qualität des Lithium-Ionen-Akkus verkraftet er nur wenige hundert Ladezyklen, bis die Speicherfähigkeit deutlich nachlässt. Regelmäßiges Aufladen eines halbvollen Akkus wirkt sich nicht auf die Gesamtkapazität aus.

Um den Akku zu schonen, sollte man ihn möglichst nicht über 90 Prozent laden oder auf weniger als 10 Prozent entladen. Einige Notebooks bieten dazu eine Einstellmöglichkeit an. Allerdings lässt sich nicht genau abschätzen, wie lange dann der Akku hält. Vielleicht kann man ihn ein Jahr länger nutzen.

Alterung

Die Alterung der Lithium-Ionen-Akkus wird durch die Zell-Oxidation hervorgerufen. Dabei oxidieren die Elektroden. Diese verlieren die Fähigkeit Lithium-Ionen zu speichern, die für den Stromfluss notwendig sind. Die Zell-Oxidation wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Zum Beispiel durch die Temperatur und dem Ladezustand des Akkus. Bei hoher Temperatur und vollem Akku entwickelt sich die Zell-Oxidation besonders schnell. Dieser Zustand kommt z. B. bei Notebooks häufig vor, wenn der Akku vollständig geladen ist und gleichzeitig das Gerät in Betrieb ist und warm wird. Die Wärme überträgt sich auf den Akku.

Lagerung

Wenn man einen Lithium-Ionen-Akku lagern möchte, dann sollte man ihn zur Hälfte aufladen. Der optimale Ladezustand liegt zwischen 50% und 80%. Die Lagerung erfolgt bei Zimmertemperatur, besser im Kühlschrank vor Feuchtigkeit geschützt (nicht Kühlfach). Erst kurz bevor man ihn wieder einsetzen will, lädt man ihn bei Zimmertemperatur vollständig auf.

Muss ein Lithium-Ionen-Akku längere Zeit gelagert werden, muss regelmäßig der Ladezustand kontrolliert werden. Die Selbstentladung von 1% pro Monat ist äußerst gering, allerdings stark temperaturabhängig. Lithium-Ionen-Akkus sollten alle 3 bis 4 Monate nachgeladen werden, um die Tiefentladung zu vermeiden. Erreicht eine Zelle eine Spannung unter 2 Volt kann sich die Zelle zerstören.

Beim Erwerb von Lithium-Ionen-Akkus muss immer damit gerechnet werden, dass Akkus vorzeitig den Geist aufgeben. Vor allem bei Akkus die aus Fernost kommen oder länger unterwegs gewesen sind. Das gilt genauso für Ersatzakkus, die evt. eine längere Lagerung hinter sich haben. Ist ein Akku doch kaputt, dann kann ein Reparatur in Frage kommen. Wenn nicht, dann sollte der Akku beim Händler oder im Sondermüll entsorgt werden.

Akkupflege

Chemische Änderungen des Elektrolyten und der Oxidation der Elektroden sind die Hauptursache für die Alterung. Das Lithium-Ionen-Akkus nach 2 bis 3 Jahren an Kapazität verlieren ist nur eine Faustregel. Ob ein Lithium-Akku nur 1 oder vielleicht doch 5 Jahre hält, hängt von der Verarbeitung, dem Gebrauch und der Betriebstemperatur ab. Ein pfleglicher Umgang belohnt ein Lithium-Akku mit einer längeren Lebensdauer.

  • Temperaturen über 40°C vermeiden
  • vollständiges Be- und Entladen vermeiden
  • möglichst selten auf über 90 Prozent seiner Kapazität laden
  • möglichst weniger als 10 Prozent leer laufen zu lassen

Allerdings ist das ständige Beachten dieser Tipps sehr umständlich. Bezüglich der Ladung können manche Betriebssystem entsprechend eingestellt werden. Da sich elektronische Geräte während des Betriebs stark erwärmen, hat man als Anwender darauf weniger Einfluss.
Trotzdem gilt, wenn man einen Akku entsprechend pfleglich behandelt, dann lässt sich die Lebensdauer von vielleicht 3 auf 4 Jahre verlängern.

Energiedichte

Lithium-Akkus haben im Vergleich zu anderen Akkus die höchste Energiedichte. Sie speichern fast doppelt so viel Energie wie NiMH-Akkus, die gleich groß und gleich schwer sind.
Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus wird hauptsächlich durch das Kathodenmaterial bestimmt. Üblich ist Kobaltoxid mit einer Energiedichte von bis zu 180 Wh/kg. Mit Lithiumkobaltnickel (LiNiCo) erreicht man sogar bis 240 Wh/kg. Die Tendenz geht eher in Richtung geringerer Energiedichte bis 170 Wh/kg. Dafür vertragen die Akkus deutlich mehr als 500 Ladezyklen und haben somit eine längere Lebensdauer.

Lithium-Polymer-Akkus (Li-Pol)

Lithium-Polymer-Akkus sind eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus. Sie enthalten keine flüssigen Chemikalien, sondern nur feste oder gelartige Bestandteile. Sie sind somit auslaufsicher und man kann auf ein schützendes Metallgehäuse verzichten. Es ergeben sich dadurch noch mehr Bauformen, bei denen Zellen mit 1 Millimeter Dicke möglich sind. So lassen sich zum Beispiel Hohlräume in tragbaren Geräten optimal ausnutzen. Etwa bei Wearables und besonders flache Smartphones.

Lithium-Luft-Akku

Lithium-Luft-Akkus können zwischen 10 bis 20 mal mehr Energie (11 kWh/kg) speichern als gleich schwere Lithium-Ionen-Akkus.
In Lithium-Luft-Akkus reagiert Luftsauerstoff in wenigen Nanometer großen Poren einer mesoporösen Kohlenstoff-Elektrode mit Li+ zu Lithiumperoxid Li2O2. Die Gegenelektrode besteht aus elementarem Lithium. Als Elektrolyt dient Ether, z. B. Tetrahydrofuran, in dem sich die Lithium-Ionen lösen können.
Allerdings korrodiert die Kohlenstoffelektrode nach wenigen Ladezyklen. Außerdem zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit sehr schnell. Damit ist der praktische Einsatz begrenzt.

Lithium-Ionen-Akku in der Zukunft

In den vergangenen Jahren führte die Entwicklung zu Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus, die immer mehr Energie speichern können. Diese Energiedichte reicht für die Anforderungen kleiner Mobilgeräte aber bei weitem nicht aus.
Als Alternative wurde an Brennstoffzellen mit Methanol als Brennstoff (DMFC) geforscht. Leider kommen die Prototypen über den Entwicklungsstatus nicht hinaus. Scheinbar begnügen sich die Hersteller auf die Entwicklung stationärer unterbrechungsfreier Stromversorgungen (USV).
Verbesserungen an den bewährten Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus gibt es also genug. Besonders die Nanotechnologie (Arbeit mit kleinen Teilchen) gibt neue Impulse.
Die vergangenen Erfolge in der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus deuten darauf hin, dass es möglich wird, 500 Kilometer mit Hybridfahrzeugen zu fahren, bevor man wieder auftanken müsse. Dann benötigt man keine Brennstoffzellen mehr.

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