Lithium-Ionen-Akkus verbinden eine hohe Energie- und Leistungsdichte mit einer vergleichsweise geringen Selbstentladung. Deshalb finden sich die Zellen in mobilen Geräten, Werkzeugen, stationären Speichern und Elektrofahrzeugen. Ihre konkreten Eigenschaften hängen jedoch stark von Elektrodenmaterial, Zellformat, Temperatur und Betriebsstrategie ab.
Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle
Eine Zelle enthält eine negative und eine positive Elektrode, einen ionenleitenden Elektrolyten und einen elektrisch isolierenden Separator. Die negative Elektrode sitzt üblicherweise auf einer Kupferfolie und nutzt häufig Graphit als Aktivmaterial. Auf der positiven Seite kommen je nach Zelltyp unterschiedliche Lithium-Metalloxide oder Lithium-Eisenphosphat zum Einsatz.
meist Graphit
Lithiumverbindung
Beim Entladen bewegen sich Lithium-Ionen durch den Elektrolyten, während Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen und dort nutzbare elektrische Arbeit leisten. Beim Laden erzwingt das Ladegerät die umgekehrte Bewegung. Die gebräuchlichen Bezeichnungen Anode und Kathode können abhängig davon variieren, ob gerade Laden oder Entladen betrachtet wird; eindeutig sind daher „positive“ und „negative Elektrode“.
Zellchemie und Kennwerte
„Lithium-Ionen-Akku“ ist eine Sammelbezeichnung. Die Auswahl der Aktivmaterialien beeinflusst Energiedichte, Leistungsdichte, Spannung, Temperaturverhalten und mögliche Ladezyklen. Verbreitete Systeme verwenden unter anderem Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide, Lithium-Eisenphosphat oder Lithium-Titanat.
| Nennspannung | Eine charakteristische Betriebsspannung; sie hängt von der Zellchemie ab und ist kein fester Wert für alle Li-Ion-Zellen. |
|---|---|
| Ladeschlussspannung | Die zulässige Obergrenze wird vom Hersteller vorgegeben. Sie darf nicht aus allgemeinen Richtwerten abgeleitet werden. |
| Entladeschlussspannung | Unterhalb der festgelegten Grenze muss das Batteriemanagement die Last trennen, um Schäden zu vermeiden. |
| C-Rate | Der C-Koeffizient setzt Lade- oder Entladestrom ins Verhältnis zur Nennkapazität. |
| Energie | Die gespeicherte Energie wird häufig in Wattstunden angegeben. |
Die theoretischen Werte einzelner Materialien lassen sich nicht unmittelbar auf ein vollständiges Batteriepaket übertragen. Gehäuse, Kühlung, Verkabelung, Elektronik und Sicherheitsreserven erhöhen die Masse und verändern die nutzbaren Kennwerte.
Laden und Batteriemanagement
Übliche Zellen werden nach einem geregelten IU- beziehungsweise CCCV-Ladeverfahren geladen. Zunächst fließt ein begrenzter Konstantstrom. Wenn die vorgegebene obere Spannung erreicht ist, hält das Ladegerät diese konstant; der Ladestrom fällt anschließend ab. Ladegrenzen, Temperaturfenster und Abschaltkriterien richten sich immer nach der konkreten Zelle.
In mehrzelligen Paketen überwacht ein Batteriemanagementsystem den Ladezustand, Zellspannungen, Ströme und Temperaturen. Es kann Zellen angleichen und das Paket bei unzulässigen Betriebszuständen abschalten. Eine Schutzschaltung ersetzt jedoch keine passende mechanische und thermische Konstruktion.
Temperatur und Lebensdauer
Die Zellreaktionen laufen bei niedrigen Temperaturen langsamer ab. Dadurch sinkt die abrufbare Leistung, und schnelles Laden kann problematisch werden. Hohe Temperaturen beschleunigen dagegen unerwünschte Alterungsreaktionen. Eine pauschale Temperatur-Leistungskurve gilt nicht für alle Bauarten; maßgeblich sind die Daten des Zell- oder Batterieherstellers.
Die Lebensdauer wird nicht durch eine einzige feste Zyklenzahl beschrieben. Sie hängt unter anderem von Ladehub, Temperatur, Strombelastung, oberer Ladespannung, Lagerzustand und Definition des Lebensdauerendes ab. Flachere Ladezyklen und moderate Temperaturen können die Alterung reduzieren. Einen klassischen Memory-Effekt wie bei einigen älteren Akkusystemen zeigen Lithium-Ionen-Zellen nicht.
Sicherer Umgang
- Nur freigegebene Ladegeräte, Netzteile und Ersatzakkus verwenden.
- Mechanische Beschädigung, Kurzschluss, starke Erwärmung und Kontakt mit Wasser vermeiden.
- Akkus nicht unbeaufsichtigt in ungeeigneter Umgebung laden.
- Beschädigte oder aufgeblähte Akkus nicht weiter benutzen; geeignete Rückgabe- und Sammelstellen nutzen.
- Lose Rundzellen gegen leitende Gegenstände und Kurzschluss sichern.
Bauformen und Kennzeichnung
Li-Ion-Zellen werden als zylindrische Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouch-Zellen gefertigt. Bei vielen Rundzellen beschreibt die Zahlenfolge die ungefähren Abmessungen. Die Bezeichnung „18650“ steht beispielsweise üblicherweise für etwa 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge. Zusätzliche Buchstaben können Hinweise auf Chemie und Bauart liefern, sind aber nicht über alle Hersteller hinweg vollständig einheitlich.
Ein flüssiger oder gelartiger Elektrolyt ist bei klassischen Lithium-Ionen-Zellen verbreitet. Zellen mit polymerer Elektrolyt- oder Verpackungstechnik werden häufig als Lithium-Polymer-Akkus bezeichnet. Davon zu unterscheiden sind Feststoffbatterien, bei denen ein fester Elektrolyt das Konstruktionsprinzip bestimmt.
Einordnung und Alternativen
Neben etablierten Li-Ion-Chemien werden Systeme wie der Lithium-Schwefel-Akku, der Lithium-Luft-Akku und der Natrium-Ionen-Akku erforscht oder für bestimmte Anwendungen entwickelt. Welches System geeignet ist, ergibt sich aus Anforderungen an Energie, Leistung, Kosten, Temperatur, Lebensdauer und Sicherheit.