Lithium-Akkus und ihre Ladetechnik im Vergleich LiFePO4 richtig laden

Aufgrund ihrer höheren Sicherheit, Robustheit, Zyklenzahl und besserer Lade-Entladecharakteristik werden Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LiFePO4) immer beliebter. Was sind die wesentlichen Merkmale und Vorteile dieser relativ neuen Variante der Lithium-Akkus? Und wie sieht die optimale Ladetechnik aus?

Bei den heute üblichen Lithium-Ionen Zellen basiert die negative Elektrode (Anode) auf Kohlenstoff in Form von Graphit. Dieses Material weist gegenüber Alternativen wie amorphem Kohlenstoff vor allem gutes Sicherheitsverhalten und höhere Speicherkapazität für Lithium auf und ist zudem preislich attraktiv. Graphit als Anode ist mit verschiedenen Materialien für die positive Elektrode kombinierbar, wodurch sich jeweils verschiedene Eigenschaften und elektrochemische Leistungen ergeben (Tabelle 1).

Als Standardmaterial ist hier vor allem Lithiumkobaltdioxid (LiCoO2) zu nennen. Zellen dieses Typs besitzen eine ausreichende Lebensdauer (>500 Zyklen) sowie eine relativ hohe Energiedichte und kommen daher vielfach im Bereich mobiler (Konsum-)Elektronik zum Einsatz. Nachteilig wirkt sich bei diesem Material die beginnende Zersetzung bei hohen Temperaturen oder oberhalb einer Spannung von 4,40 V aus, welche zu einer exothermen Reaktion führt. Bei fehlerhaftem Umgang besteht Brandgefahr – die Zellen müssen mit einer Schutzschaltung zur Spannungsbegrenzung gesichert werden oder der Entwickler muss teilweise großen Mehraufwand bei der Ladeelektronik leisten.

Eine weitere Grenze der Lithium-Kobalt-Akkus ist der maximale Lade- und Entladestrom von etwa 1C. Eine Alternative für Kobalt als Kathodenwerkstoff ist Mangan-Oxid (Mangan-Spinell). Dessen größter Vorteil: Das Material zersetzt sich nicht bei steigenden Spannungen, zeigt bei höheren Temperaturen ein deutlich besseres Sicherheitsverhalten und reduziert so den Aufwand für die nötige Schutzelektronik. Zudem senkt die Spinellstruktur den Innenwiderstand, was Zellen dieses Typs belastungsfähiger und Hochstromanwendungen mit einer kontinuierlichen Entladung von bis zu 10C sowie Spitzenbelastungen von bis zu 40C möglich macht.

Der größte Nachteil der Lithium-Mangan- Chemie liegt in der gegenüber Kobalt geringeren Energiedichte. Die Nickel-Kobalt-Mangan-Chemie (NKM) soll die Vorteile von Kobalt mit denen von Mangan verbinden. Zellen dieses Typs stellen daher immer einen Kompromiss zwischen Energiedichte einerseits und Stromstärke andererseits dar. Je nach Zusammensetzung werden Zellen mit beiden Schwerpunkten angeboten. Die Entladerate kann bis zu 5C betragen. Da die Anode aus Graphit als ausgereizt gilt, konzentriert sich die weitere Entwicklung auf die Kathodenmaterialien. Wie gesehen, führte hier der Weg von Kobalt über Mangan zu NKM. Als neueste Chemie gilt das Lithium-Eisen-Phosphat.

Es zeichnet sich vor allem durch eine hohe thermische Stabilität aus. Bei den herkömmlichen Lithium-Kobalt- Zellen kommt es beim Überschreiten einer Temperatur von etwa +220 °C an der Kathode zur Abgabe von Sauerstoff, der dann mit brennbaren Zellkomponenten reagiert. Eine solch hohe Temperatur kann durch Überladung oder Missbrauch der Zellen auftreten, aber auch im Normalgebrauch, falls es beispielsweise an dünnen Separatoren durch Fehlstellen zu einem internen Kurzschluss mit lokaler Hitzeentwicklung kommt. Letzterer Fall ist allerdings selten, so wie es allgemein erst dann zum Brand kommt, wenn alle anderen Sicherheitsmaßnahmen bis hin zum Öffnen des Sicherheitsventils der Zellen versagt haben.

Der Vorteil der Lithium-Eisen-Phosphat- Zellen liegt nun darin, dass die auf Phosphat basierende Kathode im Fehlerfall keinen Sauerstoff abgibt, das System bleibt daher stabil, die Zelle brennt nicht. Ein weiterer Vorteil dieser Chemie ist die gute Stabilität und damit die lange Lebensdauer, welche zwischen 1000 und 2000 Zyklen angegeben wird. Die Energiedichte ist allerdings geringer als bei Kobalt-Zellen.

Unter Verwendung von Nanopartikeln wie dem Nanophosphat des Herstellers A123 als Kathodenmaterial liefern LiFePO4-Zellen sehr hohe Entladeströme von bis zu 100C in der Spitze und dauerhaft bis zu 35C, wobei noch bis zu 95% der Nennkapazität verfügbar sind. Der Lithium-Eisen-Phosphat-Akku hat eine gegenüber Li-Kobalt deutlich niedrigere Zellennennspannung von 3,20 V bis 3,30 V. Damit sind speziell Lithium-Eisen- Phosphat-Packs nicht direkt kompatibel zu den anderen gebräuchlichen Lithium-Akkuchemien. Die maximale Ladespannung liegt mit 3,60 V pro Zelle ebenfalls erheblich niedriger als bei den anderen Li-Technologien, auch die Ladetechnik muss also angepasst werden. Für die speziellen Anforderungen der LiFePO4-Zellen hat der Hersteller FRIWO ein speziell zugeschnittenes Ladegerät entwickelt (siehe Kasten).

 »Automatic Power Balance« für den richtigen Strom
 Mit den Ladegeräten »GPP18« und »GPP36« von FRIWO können Anwender
nicht nur NiMH/NiCd- oder Li-Ion-Akkus laden, sie sind auch sehr gut auf die
Anforderungen der LiFePO4-Zellen zugeschnittenen. Das zum Patent angemeldete
»Automatic Power Balance«-Verfahren lädt den Akku immer mit dem
optimalen Strom. Somit arbeiten die Geräte mit besonders hoher Effizienz,
einem Wirkungsgrad > 80% und einer Leerlaufverlustleistung von < 0,6 W.
Durch ihren sehr niedrigen Ableitstrom < 100 μA halten die Geräte die Medizinnorm
ein und eignen sich auch für die Medizintechnik.
Die Schnelllader verfügen über einen Weitbereichseingang von 100 V bis
240 V und sind durch ihre austauschbaren Primäradapter weltweit verwendbar.
Je nach Zellentyp schaltet das mikrocontrollergesteuerte Lademanagement bei
Ladeschluss entweder über Temperatur-, ΔU-, oder Zeitüberwachung ab. Alle
Abschaltkriterien werden gleichzeitig überwacht. Damit ist gewährleistet, dass
die Zellen weder überhitzt noch geschädigt werden.
Je nach Modell lassen sich folgende Akku-Zellen laden:
■■GPP18: NiCd/NiMH: 2-6 Zellen, Li-Ion: 1-2 Zellen, LiFePO4: 1-2 Zellen
■■GPP36: NiCd/NiMH: 2-12 Zellen, Li-Ion: 1-5 Zellen, LiFePO4: 1-5 Zellen
»Automatic Power Balance« für den richtigen Strom