Lithiumion-Akku ist nicht gleich Lithiumion-Akku

Lithiumion-Akku ist nicht gleich Lithiumion-Akku

Der kobaltbasierte Lithiumion-Akku wurde erstmals 1991 von Sony vorgestellt. Wegen ihrer hohen Energiedichte setzte sich diese Akkuchemie sehr rasch durch. Der spinellbasierte Lithiumion-Akku hatte einen langsameren Start, wahrscheinlich wegen seiner niedrigeren Energiedichte. Bei seiner Einführung im Jahr 1996 verlangten die Anwender vor allem längere Laufzeiten. Da viele mobile Geräte heute hohe Stromstärken erfordern, steht Lithiummanganoxid jetzt ganz vorn und erfreut sich einer starken Nachfrage. Diese ist sogar so groß geworden, dass die Hersteller dieser Akkus ihr nicht nachkommen können. Darum gibt es auch so wenig Werbung für diese Akku-Art. E-One Moli Energy (Kanada) ist ein führender Hersteller von spinellbasierten Lithiumion-Akkus zylindrischer Form. Die Firma hat sich auf die Zellenformate 18650 und 26700 spezialisiert. Weitere größere Hersteller von spinellbasierten Lithiumion- Akkus sind Sanyo, Panasonic und Sony.

Sony konzentriert sich auf die Ausführung mit Nickel, Kobalt und Mangan (NKM). Nickel, Kobalt und Mangan bilden als Mehrmetalloxid die kristalline Struktur der Katode, zu der Lithium hinzukommt. Innerhalb dieses Akku-Typs bieten die Akku-Hersteller eine breite Produktpalette mit hoher Energiedichte oder mit hoher Belastungsfähigkeit an. Diese zwei Eigenschaften können nicht ohne weiteres in einem Akku vereinigt werden, sondern es muss immer ein Kompromiss eingegangen werden. NKM lässt sich auf 4,10 V/Zelle laden, 100 mV weniger als kobalt- und spinellbasierte Lithiumion- Typen. Eine Änderung der Akkuchemie, um die Spannung auf 4,20 V/Zelle anzuheben, würde zwar zu einer höheren Kapazität, aber gleichzeitig zu einer Verkürzung der Zykluslebenszeit führen. Statt der normalen 800 Zyklen, die in einem Laborumfeld erreicht werden, würde die Zyklusanzahl auf etwa 300 fallen.

Katode mit Phosphat-Nanopartikeln

Das neueste Mitglied der Lithiumion- Familie ist das A123-System, bei dem Nanophosphat zur Katode hinzugefügt wird. Obwohl der Hersteller das verwendete Metall noch geheim hält, wird allgemein angenommen, dass es sich um Eisen handelt. Der Hersteller gibt an, dass dieser Typ unter allen kommerziell erhältlichen Lithiumion-Akkus die höchste Energiedichte aufweist. Die Zelle kann mit einer Stromstärke von 35 C kontinuierlich auf Null (Tiefentladung) entladen werden und verträgt Entladestromimpulse von bis zu 100 C. Der phosphatbasierte Akku hat eine Nennspannung von etwa 3,25 V/Zelle. Die Landegrenzspannung liegt bei 3,60 V. Diese Zellenspannung ist wesentlich geringer als die 4,20 V/Zelle des kobaltbasierten Lithiumion-Akkus – das A123-System benötigt ein entsprechendes Ladegerät. Für diesen Akkutyp ist eine große Nachfrage zu erwarten. Die Firma A123 Systems wurde 2001 u.a. von Motorola, Qualcomm und dem MIT gegründet.

Ein Durcheinander der Spannungen

Noch vor etwa zehn Jahren betrug die Nennspannung einer Lithiumion-Zelle 3,60 V. Ein passender Wert, denn er entspricht der Nennspannung von drei in Reihe geschalteten Nickelzellen (1,2 V). Eine höhere Zellenspannung von Li-Ion bringt einen gut aussehenden Wh-Wert auf dem Papier und damit einen Marketingvorteil mit sich; die Gerätehersteller sehen die Zellen jedoch weiterhin als 3,60-V-Zellen an.

Die Nennspannung eines Lithiumion- Akkus wird festgestellt, indem ein mit etwa 4,20 V voll geladener Akku mit einer Stromstärke von 0,5 C auf 3,00 V entladen und dabei die durchschnittliche Spannung gemessen wird. Wegen des niedrigeren Innenwiderstands fällt die Durchschnittspannung eines spinellbasierten Li-Ion-Akkus höher aus als die eines kobaltbasierten Akkus. Reines Spinell hat den niedrigsten Innenwiderstand und eine Nennspannung von 3,80 V/Zelle. Eine Ausnahme ist wieder der phosphatbasierte Lithiumion-Akku. Dieser Typ weicht am stärksten vom herkömmlichen Lithiumion- Typ ab.

1. Lithiumion-Akku ist nicht gleich Lithiumion-Akku
2. Literatur:
3. Lithiumion-Akku ist nicht gleich Lithiumion-Akku
4. Anderes Katodenmaterial – andere Eigenschaften