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 Kathode aus einer Kupferfolie, die mit Kohle oder einer Graphitverbindung beschichtet ist. Die Anode 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.