Knopfzellen Starker Lithium-Zwerg

Akkus für Miniatur-Mobilgeräte wie Funkkopfhörer sind sehr komplex und meist anwendungsspezifisch konstruiert. Hier ist jede Verringerung der Größe und Komplexität willkommen. Eine neu entwickelte, wiederaufladbare Lithium-Knopfzelle bietet eine höhere Energiedichte in einer robusten Bauform, die zudem einfacher zu montieren ist - damit kann dieses Standardteil zur ernsthaften Konkurrenz für hochspezialisierte kundenspezifische Lithium-Akkus werden.

Akkus für miniaturisierte Mobilgeräte wie zum Beispiel digitale In-Ear-Funkkopfhörer sind für sich genommen schon technische Wunderwerke (Bild 1).

Mit Hilfe komplexer, bauteilespezifischer Optimierungen und kundenspezifischer Bauformen ist es den Ingenieuren gelungen, ausreichende Energiekapazitäten in winzigen Formfaktoren unterzubringen, und dies sogar mit den Einschränkungen konventioneller Lithium-Ionen-Technik. Diese Anstrengungen zur Optimierung führen jedoch zu solch komplexen Aufbauten wie in Bild 1.

Diese müssen von Hand montiert werden und erfordern eigene Schutzschaltungen an oder neben der Batteriehülle. Heute sind diese Akkus üblicherweise in Lithium-Technologie ausgeführt. Dabei bedeutet der Einsatz eines Akkus statt einer Primärbatterie, dass das Gerät permanent versiegelt werden kann - eine wesentliche Forderung bei Produkten, die den Vorschriften in den Bereichen Medizin und Sicherheitstechnik entsprechen müssen.

In Geräten wie Headsets ist die wesentliche konstruktive Vorgabe für die Batterie, dass sie eine Kapazität von ca. 50 mA haben und gleichzeitig klein und leicht genug sein muss, um im oder in der Nähe des Ohrs getragen zu werden. Die Energiedichte früherer Generationen standardisierter Lithium-Knopfzellen war hierfür nicht ausreichend - eine Zelle mit der benötigten Kapazität war schlichtweg zu groß.

Als Ausweg haben die Hersteller von Headsets maßgeschneiderte, kundenspezifische Akkupacks eingesetzt, um das größtmögliche Batterievolumen im verfügbaren Raum unterzubringen. Mit diesem Ansatz konnten die Gerätehersteller die Mindestanforderungen an die Kapazität und damit die Betriebszeit zwischen zwei Ladevorgängen erfüllen. Es gab aber auch Nachteile: Um die Kosten in einem vertretbaren Rahmen zu halten, werden kundenspezifische Lithium-Batterien häufig in einem günstigen, weichen Folienbeutel oder Folienschlauch verpackt.

Da dieses weiche Material bei der Produktion jedoch leicht beschädigt werden kann, müssen die Akkus von Hand zusammengebaut werden. Außerdem benötigen kundenspezifische Lithium-Akkus spezielle Regel- und Schutzschaltungen, um den Ladevorgang zu steuern und die Zelle vor zu hohen Strömen, Spannungen und Temperaturen zu schützen.

Diese kundenspezifische Schaltung sitzt gewöhnlich auf oder neben der Hülle, vergrößert so das Volumen der Batterie, verursacht bei der Produktentwicklung zusätzliche Kosten und verlängert die Entwicklungszeit. Und schließlich bedeutet ein nur für einen einzigen Kunden gefertigtes Spezialteil ein höheres Lieferketten-Risiko als ein Standardteil, das für viele Kunden in großen Mengen produziert und gelagert wird. Doch was hält die Gerätehersteller bisher davon ab, Standard-Knopfzellen einzusetzen? Sind sie eine ernstzunehmende Option für die Hersteller miniaturisierter Geräte? Knopfzellen sind aufgrund vieler Vorteile der bevorzugte Batterietyp für Entwicklungen mit kleinem Formfaktor:

  • Sie haben ein hartes Metall-gehäuse, das die Zelle während der Montage und im Gerät des Endverbrauchers vor Stößen und Kratzern schützt.
  • Sie behalten ihre Form und Größe unter normalen Betriebsbedingungen. Während die weichen Folienhüllen kundenspezifischer Lithium-Akkus bei Temperaturschwankungen der Zelle im Betrieb erheblich anschwellen können, ist die Ausdehnung und Schrumpfung des Metallgehäuses vernachlässigbar.
  • Sie lassen sich mit automatischen
  • Einrichtungen leicht montieren.
  • Sie sind kreisförmig - ein Vorteil in runden Geräten wie Ohrhörern und Headsets.

In den bisherigen Generationen von Lithium-Knopfzellenakkus ist die Energiedichte durch den Innenaufbau der Zelle mit in Stapeln oder Lagen angeordneten Elektroden jedoch sehr beschränkt.

Außerdem vergrößert die ausgeprägte, im konventionellen Produktionsprozess für den robusten Verschluss der Batterie erforderliche Lippe des Gehäuses (siehe Bild 2a) die Grundfläche der Batterie.

Daher war die normale Lithium-Knopfzelle bisher für die Hersteller kleiner tragbarer Geräte mit einer erforderlichen Batteriekapazität im Bereich von 40 mAh bis 100 mAh in Gewicht und Umfang zu groß.

Mehr Energiedichte

Jüngste Innovationen beim Aufbau von Lithium-Knopfzellen haben die Energiedichte soweit erhöht, dass Standard-Knopfzellen kundenspezifische Akkupacks jetzt ersetzen können. Varta Microbattery hat diese Innovationen in den »Coin Power«-Akkus umgesetzt. Die ersten beiden Bauteile dieser Serie bieten eine Kombination aus geringen Abmessungen und hoher Kapazität und eignen sich gut für Anwendungen wie Bluetooth-Headsets, Identifikationsmittel für die Zugangskontrolle und medizinische Geräte (Tabelle 1).

Teilenummer
Spannung [V]
Kapazität [mAh]
Durchmesser [mm]
Höhe [mm]
Gewicht [g]
CP1254
3,7
50
12,1
5,4
1,6
CP1654
3,7
100
16,1
5,4
3,2
Tabelle 1: Die ersten Lithium-Knopfzellenakkus aus der »Coin Power«-Produktreihe

Diese Zellen enthalten neue, in Spulenform gewickelte Elektroden, die den Raum im Gehäuse sehr viel effizienter nutzen als konventionelle Bauformen mit gestapelten oder in Lagen angeordneten Elektroden und eine größere Elektrodenoberfläche pro Kubikzentimeter ermöglichen.

Hierfür hat Varta eine moderne Wickeltechnologie umgesetzt, welche die Position der Elektroden innerhalb des Gehäuses der Zelle präzise steuert.

Und weil die präzisionsgefertigten oberen und unteren Gehäusehälften des neu entwickelten »ILoc«-Gehäuses sicher ineinander gleiten, entfallen der sperrige Rand und zusätzliches Dichtungsmaterial (Bild 2b).

Darüber hinaus unterbricht dieses Gehäusedesign den Betrieb der Zelle automatisch, wenn der Druck im Inneren der Zelle einen gewissen Wert überschreitet - z.B. wenn die Zelle mit zu hohem Strom oder zu hoher Spannung geladen wird. Dann bewegen sich die obere und untere Gehäusehälfte kontrolliert auseinander, und zwar gerade weit genug, um den Stromkreis zu unterbrechen und die Batterie abzuschalten. Doch nicht nur die neue Batterie selbst, auch die zugehörige Elektronik ist besonders klein.

Eine Coin-Power-Zelle benötigt als Schutzschaltung nur ein Standard-IC, das Hersteller wie Seiko und Mitsumi zu sehr geringen Kosten anbieten, und zwei passive Miniaturbauteile.

Für die Laderegelung der Zelle sind viele verschiedene Standard-Batterielade-ICs einsetzbar. Die gesamte Schaltung braucht erheblich weniger Raum als die komplexe Leiterplatte, die in kundenspezifischen Akkupacks meist zum Einsatz kommt.

Weil die Batterie selbst (Bild 3) ein Standardteil ist und die zugehörige Schaltung einfach aus Standardbauteilen erstellt werden kann, können die Gerätehersteller die Entwicklungs- und Produktionskosten für den Einsatz kundenspezifischer Batteriepacks einsparen und die zugehörigen Risiken vermeiden, ohne auf eine hohe Kapazität auf kleinstem Raum verzichten zu müssen.

Gleichzeitig haben sie alle Vorteile einer robusten Batterie mit einem stabilen Metallgehäuse, die sich automatisch montieren lässt. Das senkt die Produktionskosten und die Gefahr von Fehlern beim manuellen Einbau. Schon die ersten beiden mit Vartas Coin-Power-Konzept verwirklichten Produkte »CP1254« und »CP1654« haben gezeigt, dass die genannten Innovationen in der Praxis erfolgreich sind.

Als wichtigstes Einsatzgebiet für diese ersten beiden Typen sieht der Hersteller Headsets mit Bluetooth und anderen drahtlosen Übertragungsverfahren sowie bestimmte Geräte aus den Bereichen Gesundheit und Sicherheit. Bei Varta geht man davon aus, dass mit dem weiteren Ausbau der Coin-Power-Serie neue Technologien für am Körper tragbare Geräte möglich werden.

So könnten die Akkus zum Beispiel als Energiequelle in die Kleidung eingenäht oder in kleine elektronische Geräte eingebaut werden, die der Anwender an einem Armband oder einem Halsband trägt. Und bei Varta ist man sogar überzeugt, dass mit den Coin-Power-Zellen nun eine kleine, leichte, sichere und robuste wiederaufladbare Lithium-Energiequelle für elektronische Geräte in einem Miniaturisierungsgrad zur Verfügung steht, der bisher an einer ausreichenden autonomen Stromversorgung scheiterte.

Über den Autor:

Robert Hieber ist leitender Produktmanager bei Varta Microbattery.