LiIon-Technologie » Der aktuelle Standard für Akkus mit hoher Leistung
Veröffentlicht: 10.10.2023 | Lesedauer: 8 Minuten
Vor nicht allzu langer Zeit standen Telefone noch am Flur oder im Wohnzimmer, hatten eine Haube aus Brokatstoff und waren per Kabel fest mit der Anschlussdose verbunden. Drahtlose Kommunikationseinrichtungen waren damals lediglich in Science-Fiction-Filmen zu sehen.
Mittlerweile dürfte jedem bewusst sein, dass wir diese Zeit bereits längst hinter uns gelassen haben.
Allerdings war der Schritt zur heutigen mobilen Kommunikation nur möglich, weil auch die Entwicklung in der Akkutechnologie sehr schnell riesige Fortschritte gemacht hat.
Der entscheidende Begriff dafür heißt Lithium-Ionen-Akku und ermöglicht auf engstem Raum enorme Mengen an elektrischer Energie. Somit können unsere Smartphones, Tablets oder Notebooks lange Zeit auch ohne Stromanschluss und Ladegerät laufen.
Was genau hinter dieser Technologie steckt und wie Lithium-Ionen-Technologie funktioniert, erklären wir Ihnen gerne.
Die Abkürzung LiIon verweist auf die Lithium-Ionen-Technologie und leitet sich vom chemischen Element Lithium ab. Sobald Lithium einen elektrisch geladenen Zustand aufweist, wird es als Lithium-Ion bezeichnet. Ein LiIon-Akku ist demzufolge ein wieder aufladbarer Stromspeicher, bei dem Lithium-Ionen die entscheidende Rolle beim Ladungsaustausch spielen.
Alternativ dazu gibt es auch Li-Ion-Batterien, die beispielsweise als Knopfzellen in Uhren verwendet werden und nicht wieder aufgeladen werden können.
Im Gegensatz zu den veralten Nickel-Cadmium-Akkus oder den noch aktuellen Nickel-Metallhydrid-Akkus, die eine Zellenspannung von 1,2 Volt aufweisen, haben LiIon-Akkus eine deutlich höhere Spannungslage von 3,3 – 3,8 Volt pro Zelle. Zudem ist auch die Energiedichte, also die Speicherfähigkeit von elektrischer Energie, wesentlich höher.
Wie jeder andere Akku oder wie auch eine herkömmliche Batterie besteht der Li-Ion Akku aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem flüssigen Elektrolyten, der als Transportmedium für die Lithium-Ionen dient.
Der konkrete Aufbau sieht wie folgt aus:
Die Stromzuführung zu den Elektroden erfolgt über elektrisch leitfähige Schichten aus unterschiedlichem Material. Für den Plus-Anschluss wird Aluminium (1) als Leitungsschicht verwendet und für den Minus-Anschluss wird Kupfer (2) als Leitungsschicht eingesetzt.
Die positive Elektrode (+ Pol) besteht aus einem Lithium-Metalloxid (3), das unterschiedliche Anteile an Nickel, Cobalt, Mangan oder Aluminium beinhalten kann.
Alternativ dazu wird auch Lithium-Eisenphosphat als Elektrodenmaterial verwendet.
Die negative Elektrode (- Pol) besteht aus Kohlenstoff (4) oder besser gesagt Graphit, das in Schichten strukturiert ist.
Anstelle von Graphit werden aber auch nanokristallines, amorphes Silizium, Lithiumtitanate oder Zinndioxid verwendet.
Wichtig:
Die Art und die Zusammensetzung der Elektroden entscheiden über die Spannungslage und die elektrischen Eigenschaften des Akkus. Doch grundsätzlich gilt: Je gleichmäßiger und reiner die chemische Zusammensetzung, desto höher sind die Leistung und die Lebensdauer der Zelle. Damit die Lithium-Ionen als Ladungsträger in der Zelle hin und her wandern können, befindet sich zwischen den Elektronen ein wasserfreier Elektrolyt (5), der als Transportmedium dient. Zum Einsatz kommen unterschiedliche Salze wie u.a. Lithiumhexafluorphosphat oder Lithiumtetrafluorborat, die in aprotischen Lösungsmitteln wie Ethylen- oder Propylencarbonat gelöst werden. Damit die Lade- und Entladevorgänge ungestört ablaufen können, muss der Elektrolyt extrem rein und ebenfalls mit Lithium-Ionen angereichert sein. Zudem unterstützt der Elektrolyt die Bildung der dreidimensionalen Grenzphasen Solid Elektrolyte Interphase (SEI) an der negativen Elektrrode und Cathode Elektrolyte Interphase (CEI) an der positiven Elektrode, die für die Funktion des Akkus erforderlich sind.
Um zwischen den Elektroden einen Kurzschluss zu vermeiden, werden die Elektroden durch einen Separator (6) getrennt. Der Separator besteht aus einer mikroporösen Polyolefin-Membran, die lediglich für die winzigen Lithium-Ionen durchlässig ist.
Die Funktionsweise, die inneren Abläufe sowie die chemischen Reaktionen beim Laden und Entladen wollen wir anhand eines gängigen Lithium-Cobalt-Oxid-Akkus erläutern.
Der Ladevorgang
Beim Ladevorgang wird an den Elektroden eine Spannungsquelle bzw. ein Ladegerät (1) angeschlossen.
Am Plus-Pol des Ladegerätes besteht ein Elektronenmangel, wodurch Elektronen (elektrisch negativ geladene Elementarteilchen) aufgenommen werden können. Am Minus-Pol des Ladegerätes besteht ein Elektronenüberschuss. Hier werden beim Ladevorgang Elektronen abgegeben.
Durch die am Akku angelegte Ladespannung wandern Elektronen vom Plus-Pol des Akkus (2) über das Ladekabel (3) zum Plus-Anschluss des Ladegerätes. Ebenso bewegen sich Elektronen vom Minus-Anschluss des Ladegerätes über das Ladekabel (4) zum Minus-Pol des Akkus (5).
Durch den Ladestrom würde sich die Lithium-Metall-Oxid-Schicht (6) positiv und die Graphitschicht (7) negativ aufladen.
Schaut man sich nun die Oxidationszahlen, also die Elementarladungen eines Atoms innerhalb einer Verbindung, an, ergibt sich für die Lithium-Metall-Oxid-Schicht folgendes Bild:
Lithium (8) hat die Oxidationszahl +I
Cobalt (9) hat die Oxidationszahl +III
Sauerstoff (10) hat die Oxiationszahl -II
Das Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO2) ist mit seinen zwei Sauerstoffanteilen, einem Cobalt-Element und einem Lithium-Ion demzufolge in sich selbst elektrisch ungeladen.
Abläufe innerhalb der Zelle beim Ladevorgang
Durch den Ladevorgang werden an der Kathode Elektronen abgezogen, wodurch das Cobalt zur Oxidationsstufe IV weiter oxidiert wird. Das Lithium-Cobaltdioxid würde dadurch in sich positiv geladen werden. Um dem entgegenzuwirken, verlassen die Lithium-Ionen das Oxid, wodurch dieses in sich dann wieder ungeladen ist.
Die nun freien Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten und den Separator zum Plus-Pol des Akkus. Dort gehen sie unter Aufnahme der durch die Ladespannung vorhandenen freien Elektronen mit der schichtartigen Struktur des Graphits eine Interkalationsverbindung (lateinisch intercalare = einschieben) ein.
Wenn alle Lithium-Ionen an der negativen Elektrode angekommen und eingebettet sind, ist der Akku voll aufgeladen.
Der Entladevorgang
Beim Entladen werden die Interkalationsverbindungen an der negativen Elektrrode gelöst. Das Lithium gibt dabei die aufgenommenen Elektronen wieder frei und wird zum positiv geladenen Lithium-Ion.
Da metallisches Lithium als unedles Metall seine Elektronen extrem leicht abgibt, läuft dieser Vorgang quasi automatisch ab. Dazu müssen lediglich die Elektroden des Akkus mit einem externen Stromkreis inkl. Verbraucher verbunden werden.
Die vom Lithium abgegebenen Elektronen werden über den Verbraucher-Stromkreis vom Minus-Pol über den Verbraucher zum Plus-Pol geleitet.
Dort reduzieren sie das Cobalt von der Oxidationsstufe IV zurück auf die Stufe III. Dadurch ist das Cobalt-Dioxid negativ geladen und kann nun wieder positiv geladene Lithium-Ionen aufnehmen.
Und genau das passiert auch. Denn nach der Abgabe des Elektrons wandern die Lithium-Ionen von der negativen Elektrode durch den Elektrolyten und den Separator zurück zur positiven Elektrode. Dort verbinden sie sich mit dem Cobalt-Dioxid wieder zu LiCoO2.
Der Begriff LiIon-Akku ist quasi ein Oberbegriff für eine ganze Familie von Akkus, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung der Kathode unterscheiden. Die wichtigsten Vertreter sind:
Übersicht der gängigsten Lithium-Ionen-Akkus
| Bezeichnung | Kathodenmaterial | Typ | Zellenspannung | Energiedichte | Zyklenzahl |
|---|---|---|---|---|---|
| Lithium-Cobald-Oxid-Akku | LiCoO2 | LCO | 3,6 Volt | 200 Wh/kg | 500 - 1000 |
| Lithium-Mangan-Akku | LiMnO2 / LiMnO4 | LMO | 3,7 – 3,8 Volt | 150 Wh/kg | 300 - 700 |
| Lithium-Nickel-Mangan-Cobald-Akku | LiNixMnyCozO2 | NMC | 3,6 – 3,7 Volt | 220 Wh/kg | 2000 |
| Lithium-Nickel-Cobald-Aluminium-Akku | LiNixCoyAlzO2 | NCA | 3,6 – 3,7 Volt | 250 Wh/kg | 1000 |
| Lithium-Eisen-Phosphat-Akku | LiFePO4 | LFP | 3,2 – 3,3 V | 170 Wh/kg | > 4000 |
Die unterschiedlichen Leistungsmerkmale und Eigenschaften, sowie weitere Informationen zu einigen der Akku-Varianten haben wir auf den verlinkten Ratgeberseiten aufgelistet
Vorteile:
Wie bereits angesprochen, sind Lithium-Akkus in der Lage, sehr viel Energie zu liefern. Die Spannung pro einzelner Zelle als auch die Kapazität sind deutlich höher als bei herkömmlichen Akkus. Aber die Zellen bieten noch weitere Vorteile wie:
- Hoher Wirkungsgrad
- Geringes Gewicht
- Beachtliche Stromabgabe
- Schnelles Laden möglich
- Minimale Selbstentladung
- Hohe Anzahl von Ladezyklen
- Lange Lebensdauer
- Kein Memory-Effekt
Nachteile:
LiIon-Akkus haben leider auch einige Nachteile, die sich aber bei korrekter und sorgfältiger Handhabung während des Betriebs nicht so gravierend auswirken.
Ladezustand und Temperaturbereich
Das Wichtigste ist der korrekte Ladevorgang bzw. Ladezustand. Dieser sollte im Normalfall zwischen 30 % und 80% liegen, um die zu erwartende Lebensdauer nicht unnötig zu verkürzen. Eine Aufladung auf 100% ist nur dann sinnvoll, wenn unmittelbar danach der Akku im Einsatz entladen wird. Eine Tiefentladung sollte unbedingt vermieden werden, da dadurch der Akku geschädigt wird.
Bei kleineren Lithiumzellen werden Elektronik-Schutzschaltungen integriert, die ein Überladen oder eine Tiefentladung effektiv verhindern.
Aber auch die Temperatur spielt eine wichtige Rolle. Lithium-Akkus vertragen weder extreme Kälte noch große Hitze. Aus diesem Grund werden bei großen Akkupacks in Elektrofahrzeugen immer Batterie Management Systeme (BMS) eingesetzt. Ein BMS überwacht und optimiert den Ladezustand des Akkus bzw. sorgt zusammen mit Lüftungs- oder Heizsystemen für die richtige Temperatur.
Wichtig
Bei Akkus ohne jegliche Schutzeinrichtungen, wie sie beispielsweise im Modellbau verwendet werden, müssen die anwendenden Personen geeignete Ladegeräte inkl. Balancern verwenden und beim Einsatz darauf achten, dass keine Tiefentladung oder Überhitzung stattfindet.
Aufgrund ihrer Leistungsmerkmale werden LiIon-Akkus gerne und vielfältig genutzt. Die wichtigsten Einsatzbereiche haben wir kurz für Sie zusammengefasst:
Kleingeräte
Die hohe Energiedichte ermöglicht trotz der erforderlichen Kapazität eine sehr kompakte Bauweise, was sich auch in einem geringen Gewicht widerspiegelt.
Darum sind diese Akkus ideal für die Stromversorgung von transportablen Kleingeräten wie Smartphones, Notebooks, Tablets, Kameras oder Elektrowerkzeugen geeignet.
Auch in mobilen Energiespeichern wie Powerbanks werden vorzugsweise LiIon-Akkus verwendet.
E-Mobilität
Geringes Gewicht und hohe Energiedichte spielen auch bei Fahrzeugen wie Elektroautos, E-Bikes oder Elektrorollern eine wichtige Rolle.
Schließlich sind in diesem Anwendungsbereich immer größere Akkupakete erforderlich.
Die hohe Strombelastbarkeit der Zellen ermöglicht einerseits den elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ein enormes Leistungspotential und sorgt andererseits für sehr kurze Ladezeiten.
Industrieanwendungen
Im Zeichen der Energiewende werden effiziente und bezahlbare Speicher für Strom aus regenerativen Energiequellen wie Wind und Sonne immer wichtiger.
Das betrifft nicht nur die Stromspeicherung bei kleinen Solaranlagen, wie sie immer häufiger auf Privathäusern zu finden sind.
Auch die verschiedenen Energieversorger setzen vermehrt Großspeicher ein, um in Verbrauchs-Spitzenzeiten die Hauptstromtrassen zu entlasten.
Selbstverständlich gibt es noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten für LiIon-Akkus. Schon alleine der Einsatz an Stelle von schweren und weniger effizienten Bleibatterien, beispielsweise für Gabelstapler oder fahrerlose Transportsysteme, ist ein extrem breites Einsatzspektrum, obwohl das nur eine von vielen Anwendungsmöglichkeiten der Li-Ion-Technologie darstellt.
Was ist der Unterschied zwischen einer Li-Ion-Batterie und einem Lithium-Ionen-Akku?
Im deutschen Sprachgebrauch wird das Wort Akku für einen wieder aufladbaren Stromspeicher genutzt, wogegen Batterien zum einmaligen Gebrauch vorgesehen sind. Allerdings wandelt sich der Begriff „Batterie“ immer mehr weg von der nicht wieder aufladbaren Primärzelle hin zum Oberbegriff für Energiespeicher. Demzufolge werden Akkus mit Li-Ionen-Technologie immer öfter auch als Lithium-Ionen Batterien oder einfach nur als Lithium-Batterien bezeichnet.
Was sind LiPo-Akkus?
LiPo-Akkus basieren auf der Lithium-Ionen-Technologie. Wobei die Bezeichnung LiPo für Lithium Polymer steht und auf den Elektrolyt verweist. Der Elektrolyt liegt bei diesen Akkus nicht in flüssiger Form vor, sondern ist in einem gelartigen Polymerkunststoff gebunden. Lithium-Polymer-Akkus werden in den unterschiedlichsten Bauformen gefertigt und besitzen zum Teil kein festes Gehäuse. Sie werden stattdessen bei der Produktion mit einer speziellen Folienummantelung ausgestattet. Durch das somit reduzierte Gewicht werden LiPo-Akkus vorzugsweise für den Betrieb in elektrisch angetriebenen Flugmodellen und anderen gewichtsrelevanten Systemen genutzt. Neben der thermischen und elektrischen Empfindlichkeit sind folienummantelte LiPo-Akkus auch mechanisch nicht sonderlich belastbar. Mehrzellige LiPo-Akku-Packs für Verbrauchergeräte werden oft mit einem im Akkupack integriertem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet.
Was bedeutet die Angabe 7,4 V 3000mAh 20C auf einem Akkupack?
Da eine Spannung von 7,4 V angegeben wird, handelt es sich um einen Akkupack, bei dem 2 Zellen mit je 3,7 V in Serie geschaltet sind. Die Kapazität des Akkus beträgt 3000 mAh. Das bedeutet der Akku kann 10 Stunden lang einen Strom von 300 mA abgeben. Bei höheren Strömen reduziert sich der nutzbare Kapazitätswert. Die Angabe 20C bezieht sich auf den maximal zulässigen Entladestrom. Die Angabe „C“ bezieht sich auf den Kapazitätswert. In diesem Fall beträgt der maximale Entladestrom 20 x 3000 mA = 60.000 mA oder 60 A. Oft wird auch der maximale Ladestrom auf diese Weise mit angegeben. Bei einem Ladestrom von 2C darf der Akku mit maximal 6 A geladen werden.
Was ist unter einem Batteriemanagement zu verstehen?
Neben der Überwachung der zulässigen Grenzspannungen beim Laden und Entladen sorgt das BMS auch für eine gleichmäßige Ladungsverteilung innerhalb eines Akkupacks. Das ist wichtig, denn ansonsten könnten bei einer Serienschaltung die Spannungen über den einzelnen Zellen unterschiedlich hoch ausfallen. Dies ist besonders beim Laden wichtig, um eine Überladung der Lithium-Ionen-Zellen zu vermeiden. Aus diesem Grund sind auch Modellbau-Akkus mit speziellen Balancer-Anschlüssen versehen, da in diesem Fall das Ladegerät auch als BMS fungiert.
Was ist ein Lithium-Titanat-Akku?
Bei einem Lithium-Titanat-Akku wurde die sonst bei Lithium-Akkus übliche Graphit-Elektrode durch eine Lithium-Titanat-Elektrode ersetzt. Die Nanostruktur an der Oberfläche sorgt dafür, dass die Lithium-Ionen die Elektrode besser erreichen können und verhindert zudem die Bildung einer für Lithium-Ionen undurchdringlichen Oberflächenbeschichtung.