Eigenschaften der verschiedenen Lithiumion-Akkus Lithiumion-Akku ist nicht gleich Lithiumion-Akku

Noch bis vor kurzem waren mobile Geräte, die starke Ströme benötigen – wie z.B. Elektrowerkzeuge und Medizingeräte – auf Nickel-Cadmium- und Nickelmetallhydrid-Akkus angewiesen. Durch die Fortschritte bei lithiumbasierten Akkus gelten diese gegenüber den nickelbasierten Akkus in Bezug auf Belastungsfähigkeit als gleichwertig oder sogar als besser. Es wird erwartet, dass lithiumbasierte Akkus sich auch in diesen Hochstromanwendungen durchsetzen werden.

Eigenschaften der verschiedenen Lithiumion-Akkus

Noch bis vor kurzem waren mobile Geräte, die starke Ströme benötigen – wie z.B. Elektrowerkzeuge und Medizingeräte – auf Nickel-Cadmium- und Nickelmetallhydrid-Akkus angewiesen. Durch die Fortschritte bei lithiumbasierten Akkus gelten diese gegenüber den nickelbasierten Akkus in Bezug auf Belastungsfähigkeit als gleichwertig oder sogar als besser. Es wird erwartet, dass lithiumbasierte Akkus sich auch in diesen Hochstromanwendungen durchsetzen werden.

INHALT:
Lithiumion-Akkus mit Kobalt-Katode
Anderes Katodenmaterial – andere Eigenschaften
Katode mit Phosphat-Nanopartikeln
Ein Durcheinander der Spannungen
Längere Akkulebenszeit durch schonenden Betrieb
Literatur
Autor

Die Lithiumion-Technik ist noch nicht voll ausgereift und wird ständig weiter verbessert. In den heutigen Zellen besteht der Anodenwerkstoff aus einer Graphitmischung, die Katode aus einer Kombination von Lithium und anderen Metallen. Die Anode gilt bereits als optimiert und der Spielraum für konstruktive Verbesserungen ist gering. Bei der Katode sind die Aussichten jedoch wesentlich vielversprechender. Darum konzentriert sich die Akkuforschung auf den Katodenwerkstoff. Weiteres Verbesserungspotential bietet der Elektrolyt, das Reaktionsmedium zwischen Anode und Katode.

Die Akkuindustrie erzielt eine jährliche Kapazitätssteigerung von etwa acht bis zehn Prozent. Dies wird voraussichtlich auch in Zukunft so bleiben. Würde man den Maßstab der Halbleiterindustrie – das Gesetz von Moore – anwenden wollen, dann müsste sich die Akkukapazität alle zwei Jahre verdoppeln. So dauert es aber zehn Jahre, bis die Kapazität von Lithiumion- Akkus verdoppelt wird. Es gibt heute die verschiedensten Lithiumion- Akkus, wobei die Unterschiede hauptsächlich beim Katodenwerkstoff zu finden sind. Die Tabelle fasst die im heutigen Markt am häufigsten angebotenen Lithiumion-Akkutypen zusammen. Der Einfachheit halber ist die Chemie in vier Gruppen zusammengefasst: Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt- Mangan (NKM) und Phosphat.

Lithiumion-Akkus mit Kobalt-Katode

Die meisten in mobilen Geräten zur Anwendung kommenden Lithiumion- Akkus funktionieren auf Kobaltbasis. Durch hohe Produktionsvolumina können die Akkus relativ preiswert hergestellt werden. Ihre positive Elektrode (Katode) besteht aus Kobaltoxid, die negative Elektrode (Anode) aus Kohlenstoff (Graphit). Einer der Hauptvorteile des kobaltbasierten Akkus ist seine hohe Energiedichte. Das macht diese Akku-Chemie attraktiv für tragbare Elektronikgeräte wie Funktelefone, Laptops und Kameras.

Dennoch haben kobaltbasierte Lithiumion- Akkus ihre Grenzen: Sie sind nicht sehr robust und vertragen keine hohen Lade- und Entladeströme. Bei einer Schellladung des Akkus oder einem Laden des Akkus mit zu großem Ladestrom würde die Zelle überhitzen und könnte beschädigt werden. Normalerweise beschränkt der Sicherheitsschaltkreis eines Kobalt-Lithiumion-Akkus die Lade- und Entladestromstärke auf einen Wert von 1, bezogen auf die Kapazität des Akkus. Das bedeutet, dass eine 18650-Zelle (zylindrische Bauform mit 18 mm Durchmesser und 65 mm Höhe) von 2400 mAh nur mit höchstens 2,4 A geladen und entladen werden kann. Ein weiterer Nachteil des Kobalttyps ist der Anstieg des Innenwiderstands mit der Anzahl der Lade-/Entlade- Zyklen und mit dem Alter des Akkus. Schon nach zwei bis drei Jahren ist der Akku oft nicht mehr zu benutzen, weil die Spannung wegen des hohen Innenwiderstands unter Last zu stark abfällt. Dieser Zustand ist irreparabel.

Akkus leben länger, wenn sie schonend behandelt werden. Hohe Ladespannungen, hohe Ladeströme und extreme Ladebedingungen haben einen negativen Einfluss und verkürzen die Lebensdauer des Akkus. Dies gilt auch für Lithiumion-Akkus mit hoher Belastungsfähigkeit. Die Langlebigkeit ist oft das direkte Ergebnis der Betriebsbedingungen. Im Folgenden einige Empfehlungen, wie die Lebensdauer eines Akkus verlängert werden kann:

  • Die Zeitspanne, in der ein Lithiumion- Akku sich im Zustand 4,20 V/Zelle befindet, sollte so kurz wie möglich gehalten werden. Besonders bei hohen Temperaturen kommt es im Zustand hoher Spannung zur Korrosion. Spinellbasierte Lithiumakkus sind gegenüber hohen Spannungen weniger empfindlich. Die günstigste obere Spannung beim kobaltbasierten Lithiumion- Akku ist 3,92 V/Zelle. Es hat sich gezeigt, dass eine Beschränkung beim Laden des Akkus auf diese Spannung die Zahl der möglichen Lade-/Entlade- Zyklen verdoppelt. Bei Lithiumion- Akkus für die Wehrtechnik wird dies genutzt. Der Nachteil ist allerdings eine niedrigere Kapazität.
  • Der Ladestrom bei Li-Ion sollte nicht zu hoch sein – 0,5 C bei kobaltbasierten Lithiumion-Akkus. Der niedrigere Ladestrom reduziert die Zeitspanne, in der die Zelle eine Spannung von 4,20 V hat. Eine Ladung mit 0,5 C verlängert die Ladezeit nur geringfügig, da die Zeit für die abschließende Auffüllladung kürzer ausfällt. Ein hoher Ladestrom führt zu einem raschen Anstieg der Spannung, sodass die Spannungsgrenze vorschnell erreicht wird.
  • Eine Entladungstiefe von weniger als 80 % belastet den Akku weniger als eine völlige, hundertprozentige Entladung. Es ist besser, Lithiumion- Akkus öfter nachzuladen als sie zu stark zu entladen. Über den von Nickel- Cadmium-Akkus bekannten und gefürchteten Memory-Effekt muss man sich keine Sorgen machen.

Beim Schnellladen und Auffüllladen gleicht das Ladeverhalten von Lithiumion- dem von Blei-Säure-Akkus. Wenn der ventilregulierte Blei-Säure- Akku (VRLA, Valve Regulated Lead Acid Battery) nur in Bereitschaft betrieben wird, muss die bei der Normalladung zur Anwendung kommende Grenzspannung von 2,35 V/Zelle auf 2,27 V/Zelle abgesenkt werden. Ein längeres Verharren im höheren Spannungszustand würde zur Korrosion führen. Das gleiche gilt für Lithiumion- Akkus.

Lithiumion-Akkus haben bei einem geringeren Ladestrom nicht nur eine längere Lebensdauer, auch ihre Abnutzung ist geringer. Das Bild zeigt die Zykluslebenszeit als Funktion der Lade- und Entladestromstärke. Auffällig ist die gute Leistung im Labortest, wenn der Akku mit 1 C geladen und entladen wird – bei einer Ladung und Entladung mit 0,5 C würde die Kurve noch besser ausfallen.

Die Experten sind sich einig, dass die Lebensdauer eines Lithiumion-Akkus nicht nur von der Lade- und Entladestromstärke bestimmt wird. Lebensdauerverkürzend ist auch, wenn ein voll geladener Akku hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Zwar lässt sich die Lebensdauer eines Akkus durch schonende Behandlung verlängern, die Umstände und Betriebsbedingungen erlauben es dem Anwender aber oft nicht, das Optimum zu erreichen. Insofern gilt für Akkus das gleiche wie für den Menschen: Wir können nicht immer das Leben leben, das einer maximalen Lebensspanne förderlich ist. hs