Lithium-Ionen-Akku

Lithium-Ionen-Akkus (LiIon) zeichnen sich durch ihre hohe Leistungsdichte aus, die mit mehreren 1.000 W/kg höher ist als bei allen anderen Akkumulatoren. Darüber hinaus ist der LiIon-Akku thermisch stabil, hat eine konstante Ausgangsspannung über den gesamten Entladezeitraum, eine lange Lebensdauer und kennt keinen Memory-Effekt.

Lithium hat in der elektrochemischen Spannungsreihe ein hohes negatives Potential von -3,05 V, wodurch die Potentialdifferenz mit anderen Materialien sehr hoch ist. In Verbindung mit Kupfer (0,16 V) ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 3,21 V. Die Nennspannung von Lithium-Ionen-Akkus liegt bei 3,6 V, die EMK beträgt 3,6 V, die Ladeschlussspannung liegt bei 4,2 V, die Entladeschlussspannung bei etwa 2,5 V und der C-Koeffizient für den Ladestrom beträgt 1C.

Wichtige Kennwerte von Lithium-Zellen

Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Anode aus einer Kupferfolie, die mit Graphit oder einer Graphitverbindung beschichtet ist. Bei leistungsstärkeren LiIon-Akkus wie dem Lithium-Titanat-Akku wird das Graphit der Anode durch Lithium-Titanat ersetzt. Die Kathode des LiIon-Akkus besteht aus einer Lithiumverbindung, bestehend aus Kobalt-, Mangan- oder Nickel-Oxid. Zwischen den Elektroden befindet sich der Elektrolyt in dem sich positiv geladenen Lithium-Ionen zwischen der Kathode und der Anode bewegen. Der Elektrolyt ist ein gelöstes Lithiumsalz in dem sich die Lithium-Ionen frei bewegen. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Separator, den nur die Lithium-Ionen passieren können. Fließt Strom durch einen Verbraucher, dann wandern die Ionen von der negativen Kathode zur positiven Anode. Der Ladungsausgleich erfolgt durch Elektronen, die über den Verbraucher fließen. Beim Ladevorgang kehren sich die Strom- und Ionenbewegung um. Je nachdem ob der Elektrolyt flüssig oder fest ist, spricht man von Lithium-Ionen-Akkus oder als Feststoffbatterien von Lithium-Polymer-Akkus.

Die verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich hauptsächlich im Anodenwerkstoff, der Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt, Nickel-Kobalt-Mangan (NKM), Eisenphosphat oder Titanat sein kann. Die verschiedenen Materialien bewirken unterschiedliche Energiedichten, Leistungsdichten, Nennspannungen und Ladezyklen. Bei Kobalt reichen die Werte für die Energiedichte bis zu 190 Wh/kg, bei Mangan bis 120 Wh/kg und bei Nickel-Kobalt-Mangan (NKM) bis 130 Wh/kg. Die Energiedichte liegt bei Hochenergie-Versionen wie dem Lithium-Schwefel-Akku bei bis zu 400 Wh/kg oder dem Lithium-Luft-Akku bei über 1 kWh/kg und bei Hochleistungsversionen zwischen 2 kW/kg und 4 kW/kg. Die Anzahl der Entlade- und Ladezyklen liegt bei etwa 1.500.

Die Leistungskurve von Lithium-Ionen-Akkus ist stark temperaturabhängig und hat ihr Maximum bei Temperaturen zwischen 20 °C und 40 °C. Bei 0 °C beträgt die Leistung nur noch 60 % der Maximalleistung, bei 60 °C liegt sie bereits bei Null.

Ladung und Lebensdauer

Geladen werden LiIon-Akkus ab der Tiefentladeschwelle nach dem IU-Ladeverfahren mit konstantem Strom, und zwar bis zum Erreichen der Nennspannung. Danach werden sie mit einer konstanten Spannung weitergeladen. Liegt der Ladezustand unterhalb der Tiefentladeschwelle, dann wird der tiefentladene Akku vorbereitet, indem er mit geringer Stromstärke bis zum Erreichen der Mindestspannung geladen wird. Der Ladefaktor liegt bei diesem Akkutyp bei ca. 1,4.

Lithium-Ionen-Akkus haben eine Lebensdauer von ca. zwanzigtausend Ladezyklen und werden als leistungsfähige Energiequellen in Handhelds, Palmtops, Notebooks und Handys eingesetzt. Durch den Einsatz der Nanotechnik durchlaufen Li-Ionen-Akkus eine rasante Entwicklung mit verbesserten Leistungswerten und höherer Lebensdauer. Wegen ihrer Energiedichte werden sie auch in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die kommenden Akku-Generationen werden Nano-Phosphat-Akkus sein und als Alternative zu LiIon-Akkus kommt der Natrium-Ionen-Akku.

Kennzeichnung von Lithium-Zellen

Für die Kennzeichnung der Akkus gibt es ein von japanischen Firmen eingeführtes Bezeichnungssystem, das aus drei Buchstaben und einer fünfstelligen Ziffer besteht. Der erste Buchstabe steht für Lithium (I), der zweite für Kobalt (C), Mangan (M) oder Eisenphosphat (F), und der dritte für recharchable (R). Die folgenden Ziffern gelten für Rundzellen und geben den Durchmesser und die Höhe in Millimeter an. Dementsprechend gibt es vielfältige Technik- und Größenversionen mit Durchmessern zwischen 10 mm, über 14 mm, 17 mm und 18 mm und Längen zwischen 33 mm bis 65 mm. So besagt das Beispiel für den zylindrischen Zelltyp IMR18650, dass es sich um eine wiederaufladbare Lithium-Mangandioxid-Batterie mit einem Durchmesser von 18 mm hat und eine Höhe von 65 mm handelt.