Ratgeber
Moderne Mobilgeräte wie Smartphones, Tablets, Notebooks, Digitalkameras oder auch kabellose Elektrowerkzeuge müssen kompakt, handlich und leicht sein. Zudem müssen die Geräte lange Laufzeiten im Akkubetrieb aufweisen.
Und das, obwohl beispielsweise bei den Akkuwerkzeugen oder im Modellbaubereich der Strombedarf für die Antriebsmotoren sehr hoch ist.
Das sind Anforderungen, die sich aufgrund ihrer Widersprüchlichkeit nur sehr schwer miteinander vereinbaren lassen.
Dass es aber trotzdem funktioniert, stellen Lithium-Ionen-Akkus in den letzten Jahren unter Beweis. Warum diese Akkus klein, leicht und dennoch extrem leistungsstark sind, wollen wir etwas genauer betrachten.
Dabei möchten wir auch auf die Lithium-Akku-Technologie etwas genauer eingehen.
Bei einem Lithium-Ionen-Akku bzw. Li-Ion Akku oder LiIon-Akku handelt es sich um einen wiederaufladbaren Speicher für elektrische Energie. Im Vergleich dazu ist eine Lithium-Batterie lediglich für den einmaligen Gebrauch vorgesehen. Deshalb können und dürfen Lithium-Batterien auch nicht wieder aufgeladen werden. Der große Vorteil eines Lithium-Ionen-Akkus ist seine hohe Energiedichte. Oder anders ausgedrückt: Es steckt sehr viel Strom in einem kleinen LiIon-Akku!
Der Name des Akkus leitet sich von den Lithium-Ionen ab, die beim Laden bzw. Entladen zwischen den beiden Elektroden hin und her wandern und sich in den jeweiligen Elektrodenmaterialien einlagern.
Aufgrund der deutlich höheren Spannungslage von 3,3 – 3,8 V pro Lithium-Ionen-Zelle ist ein Li-Ion Akku nicht oder nur bedingt geeignet, einen Nickel Cadmium-Akku (NiCD) oder einen Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) zu ersetzen. Denn bei Nickel-Akkus beträgt die Spannungslage lediglich 1,2 V pro Zelle.
Bei einem Akku-Pack ist es aber durchaus möglich, die höhere Kapazität und Energiedichte eines Li-Ionen-Akkus zu nutzen. Denn anstelle eines sechszelligen Nickel-Cadmium oder NiMH-Akku mit 7,2 V kann ein zweizelliger Lithium-Polymer-Akku mit 7,4 V verwendet werden.
Allerdings muss die nachgeschaltete Elektronik eine Tiefentladung des Li-Ionen-Akkus zuverlässig verhindern. Zudem muss zum Laden ein geeignetes Ladegerät für Lithium-Akkus verwendet werden.
Lithium-Ionen-Akkus sind kompakt und leistungsstark.
LiIon-Akkus sind ebenso wie klassische Akkus oder Batterien aufgebaut. Sie bestehen aus einer positiven Elektrode (1), die als Pluspol bezeichnet wird. Die negative Elektrode (2) wird auch als Minuspol bezeichnet.
Innerhalb der Akkuszelle sind die beiden Elektroden durch einen Separator (3) elektrisch getrennt, um Kurzschlüsse zwischen den beiden Elektroden zu vermeiden. Dieser Separator muss zudem auch noch porös sein, damit ihn später die Lithium-Ionen problemlos durchdringen können.
Um den schnellen internen Ladungsaustausch zu ermöglichen, befindet sich zwischen den Elektroden ein Elektrolyt (4).
Der Ladevorgang
Durch die Ladespannung entsteht an der positiven Elektrode des Akkus ein Elektronenmangel und am Minuspol des Akkus ein Elektronenüberschuss. Die hat zur Folge, dass aus der positiven Elektrode negativ geladene Elektronen abgezogen werden und gleichzeitig positiv geladene Lithium-Ionen das Oxid verlassen. Mit Hilfe des Elektrolyten wandern die Li-Ionen durch den Separator zur negativen Elektrode. Unter Aufnahme der dort zur Verfügung stehenden Elektronen werden aus den Lithium-Ionen wieder elektrisch ungeladene Atome, die sich in die Graphitschicht des Li-Ionen-Akkus einbetten.
Der Entladevorgang
Sobald die Elektroden des Akkus über einen externen Stromkreis und einen Verbraucher verbunden werden, beginnt der Entladevorgang. Beim Entladen gibt das Lithium an der negativen Elektrode sein aufgenommenes und negativ geladenes Elektron wieder ab und wandert als positiv geladenes Lithium-Ion durch den Elektrolyt und den Separator zurück zur positiven Elektrode. Zusammen mit den Elektronen, die über den Stromkreislauf inklusive Verbraucher an die positive Elektrode gelangen, verbindet sich das Lithium-Ion chemisch wieder zum ursprünglichen Lithiumoxid.
Geräte-Akkus
So schön die hohe Energiedichte bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren auch ist, haben die Energiespender doch einen entscheidenden Nachteil:
Sie reagieren extrem empfindlich auf Überladung und Tiefentladung. In beiden Fällen werden die Lithium-Akkumulatoren irreparabel zerstört.
Bei fest eingebauten Akkus in Smartphones, Tablets, Notebooks oder auch bei Akkuwerkzeugen ist das soweit kein Thema. Denn in den jeweiligen Geräten wird eine entsprechende Elektronik verwendet, die den Akku vorschriftsmäßig lädt und zuverlässig vor Tiefentladung schützt.
Damit dies gewährleistet ist, müssen immer die zum jeweiligen Gerät gehörigen Ladegeräte genutzt werden.
Einzelzellen
Bei Einzelzellen für den individuellen Einsatz fehlen diese externen Geräte-Schutzeinrichtungen. Deshalb statten einige Hersteller ihre Akkus mit intelligenten Schutzschaltungen aus, die den Akku bei falscher Behandlung effektiv schützen.
Die Schutzschaltungen sind dann direkt in der Akkuzelle integriert. Doch auch mit integrierter Schutzschaltung muss der Anwender sich bei der Auslegung der Ladespannung und dem Ladestrom immer an die Herstellerangaben halten.
Wichtig dabei ist, dass mit der korrekten Ladespannung gearbeitet wird. Denn je nachdem, welche Substanzen für die Elektroden verwendet wurden, haben Lithium-Akkus unterschiedliche Nennspannungen:
Bei einem Lithium-Kobalddioxid-Akku liegt die Nennspannung bei 3,6 V.
Bei einem Lithium-Mangandioxid-Akku liegt die Nennspannung bei 3,7 – 3,8 V.
Bei einem Lithium-Eisenphosphat-Akku liegt die Nennspannung bei 3,3 V.
Dementsprechend sind sowohl die Ladeschluss-Spannungen als auch die zulässigen Entladeschluss-Spannungen unterschiedlich hoch. Im Zweifelsfall hilft ein Blick in die technischen Datenblätter des Akkus.
Akku-Packs
Bei Lithium-Akkus, die z.B. als Antriebsakkus im Modellbaubereich eingesetzt werden, sind keine Schutzvorrichtungen vorhanden.
Hier muss der Anwender selber Sorge tragen, dass der Akku richtig geladen wird.
Wichtig:
Wenn die Zellen eines Akku-Packs in Serie geschaltet sind, muss zudem sichergestellt werden, dass alle Akkus die gleiche Spannung aufweisen.
Darum sind Modellbauladegeräte mit sogenannten Balancern ausgestattet. Während des Ladevorgangs werden durch den Balancer immer die Zellen mit der höchsten Spannung über einen Lastwiderstand kurzzeitig entladen, damit alle Zellen des Akku-Packs die bis auf 1/100 Volt gleiche Spannung aufweisen.
Das beigefügte Bild zeigt den Anschluss zweier LiPo-Akku-Packs mit mehreren Zellen an einem Modellbauladegerät. Über die beiden äußeren Kabel (1) mit den Hochstromsteckern fließt der Ladestrom. Die mehradrigen Leitungen (2) dienen zum Anschluss an den Balancer im Ladegerät.
Um Akkus mit unterschiedlichen Zellenzahlen laden zu können, werden für den Balancer-Anschluss Adapterplatten (3) verwendet.
Ladeverfahren
Ein Lithium-Ionen-Akku wird strom- und spannungsgeregelt geladen. Das bedeutet, am Beginn des Ladevorgangs wird zum Zeitpunkt "t1" der Ladestrom auf den maximal zulässigen Wert begrenzt. Wie hoch der Ladestrom sein darf, gibt der Akkuhersteller vor. Schnellladefähige Zellen können mit 1 C, 2 C oder sogar noch höher geladen werden.
Der Wert „C“ bezieht sich dabei immer auf den Kapazitätswert des Akkus. Wenn bei einem Akku mit einer Kapazität von 2500 mAh ein maximaler Ladestrom von 2 C zulässig ist, darf der Akku mit höchstens 5000 mA (5 A) geladen werden. Auch wenn er zum Beginn des Ladevorgangs einen deutlich höheren Strom aufnehmen könnte.
Wenn die maximal zulässige Ladespannung erreicht ist (t2), greift die Spannungsregelung und verhindert ein weiteres Ansteigen der Ladespannung. Demzufolge wird bei gleichbleibender Spannung der Ladestrom immer geringer. Wenn der Strom einen minimalen Wert erreicht hat (t3), ist der Akku voll aufgeladen.
Darstellung der Ladespannung (Blau) und des Ladestroms (Rot).
Die Anzahl der nutzbaren Lade-/Entladezyklen kann im Laufe der Lebensdauer mehrere Hundert Zyklen betragen. Vorausgesetzt, es wird das passende Ladegerät verwendet und der Akku richtig genutzt. Wie viele Zyklen der Akku letztendlich in der Realität schafft, hängt von vielen Faktoren ab:
Art und Qualität des Akkus
Je reiner und hochwertiger die verwendeten chemischen Substanzen, desto leistungsfähiger und langlebiger ist der Akku.
Temperatur und Ladezustand bei Nichtgebrauch
Ideal ist ein Ladezustand von 40 – 60% bei kühler Lagerung. Einen komplett aufgeladenen Akku im warmen Umfeld zu lagern, verkürzt die Lebensdauer und somit die nutzbaren Ladezyklen drastisch. LiPo-Antriebs-Akkus im Modellbaubereich sollten erst unmittelbar vor dem Einsatz voll aufgeladen werden.
Lade- und Entladetiefe
Ein Akku, der nur zu 50% entladen und wieder geladen wird, schafft deutlich mehr Zyklen als bei einer max. Entladung. Ebenso ist es vorteilhaft, den Akku nicht maximal vollzuladen bzw. bei einer minimalen Kapazitätsentnahme von nur wenigen mAh nicht gleich wieder nachzuladen. Bei einem Ladezustand zwischen 30% und 70% fühlen sich Lithium-Akkus am wohlsten.
Pufferbetrieb vermeiden
Besonders Notebook-Akkus leiden, wenn sie von einer Docking-Station über Monate und Jahre hinweg stets auf einem Ladezustand von 100% gehalten werden. Besser ist es, den Akku durch einen mobilen Einsatz des Notebooks öfters zu entladen.
Hohe Ströme
Im Modellbaubereich werden hohe Lade- und noch höhere Entladeströme gefordert. Die damit verbundenen mechanischen und thermischen Belastungen der Zelle wirken sich ebenfalls negativ auf die Zyklenzahl und die ursprüngliche Kapazität aus.
Umgebungstemperaturen
Der ideale Temperaturbereich für Lithium-Akkus ist im Bereich der Zimmertemperatur. Beim Ladevorgang sollte die Temperatur im Bereich von 5 °C bis 45 °C liegen, um eine längere Lebensdauer zu erzielen. Höhere Temperaturen durch z.B. Sonneneinstrahlung oder auch niedrigere Temperaturen im Winter sollten die Akkus nicht ausgesetzt werden.
Mit diesen Zahlen werden die Bauformen eines Lithium-Akkus bezeichnet. Im Fall der 18650 bedeutet das, dass der LiIon-Akku einen Durchmesser von 18 mm aufweist und 65 mm lang ist. Die Null am Ende beschreibt die runde Bauform des Lithium-Ionen-Akkumulators.
Allerdings gibt es innerhalb der 18650er Baureihe Unterschiede.
Bei manchen LiIon-Akkus ist der Plus-Pol bündig mit dem Gehäuse ausgerichtet. Bei anderen ist der Plus-Pol erhaben bzw. steht hervor.
Alternativ dazu gibt es auch 18650er Zellen mit offenen Kabelenden, die an Platinen gelötet oder mit geeigneten Steckverbindern versehen werden können.
Bei einem Lithium-Polymer-Akku oder auch LiPo-Akku liegt der sonst flüssige Elektrolyt in einer festen bis gelartigen Folie auf Polymerbasis vor.
Das ermöglicht den Aufbau von flachen Zellen, wobei ein LiPo aber auch andere Bauformen aufweisen kann.
LiPo-Akkus kommen ohne festes Gehäuse bzw. Metallmantel aus und haben somit ein sehr geringes Gewicht. Das ist auch der Grund, warum LiPo-Akkus bei Modellfliegern sehr beliebt sind.
Allerdings sind LiPos dadurch auch extrem empfindlich gegen mechanische Beschädigungen. Ebenso verkraften diese Akkus keine Temperaturen unter 0 °C und über 60 °C.
Vorteile von Lithium Ionen Akkus:
- Sehr große Energiedichte, die deutlich über der von Nickel-Metallhydrid-Akkus liegt.
- Deutlich höhere Spannungslage (3,3 – 3,8 V) gegenüber NiMH-Akkus (1,2 V).
- Kleinere Bauform und geringeres Gewicht gegenüber NIMH-Akkus mit gleicher Kapazität.
- Hohe Strombelastbarkeit und kurze Ladezeiten sind ideal für den Einsatz im Modellbaubereich oder in Akku-Werkzeugmaschinen.
- Geringe Selbstentladung macht einen Einsatz auch lange nach dem Laden möglich.
- Neue Akkus sind sofort einsatzbereit und müssen nicht erst formiert werden.
- Ein Memory-Effekt (Verringerung der nutzbaren Kapazität bei minimalem Laden und Entladen) ist nicht vorhanden.
Nachteile von Lithium Ionen Akkus:
- Hohe Empfindlichkeit gegen Überladung. Für den Ladevorgang müssen geeignete Ladegeräte verwendet werden, welche die Ladeschluss-Spannung exakt einhalten.
- Hohe Empfindlichkeit gegenüber Tiefentladung. In der Anwendung muss eine Spannungsüberwachung vorhanden sein, um den Akku vor zu tiefer Entladung zu schützen.
- Hohe Empfindlichkeit gegenüber zu hohen und zu niedrigen Temperaturen. Die ideale Betriebstemperatur liegt bei ca. 20 – 40 °C. Bei höheren und niedrigeren Temperaturen sinkt die Leistungsfähigkeit.
- Lithium ist ein sehr reaktionsfreudiges und leicht brennbares Metall, das im Brandfall nur schwer zu löschen ist. Bei der Reaktion mit Wasser oder der Luftfeuchtigkeit infolge einer mechanischen Beschädigung der Akkuzelle wird sehr viel Wärme und Rauch entwickelt. Zudem entsteht neben ätzender Lithiumlauge auch leicht brennbarer Wasserstoff.
Bei korrekter Behandlung sind Lithium-Akkus sichere und leistungsstarke Spannungsquellen, deren Vorteile die Nachteile bei Weitem aufheben. Das ist auch der Grund, warum Lithium-Akkus bei Geräteherstellern sehr beliebt sind. Allerdings muss man sich beim täglichen Umgang mit diesen Stromspeichern auch über eventuelle Risiken im Klaren sein. Besonders dann, wenn eigene Schaltungs- Applikationen mit Ladefunktion rund um die Akkus entwickelt werden.