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Ein Lithium-Ionen-Akku (Lithium-Ionen-Akkumulator, Li-Ionen-Akku oder (sekundäre) Li-Ionen Batterie) ist eine elektrochemische Spannungsquelle auf der Basis von Lithium. Er ist, im Gegensatz zur Lithium-Batterie, wiederaufladbar. Eine Weiterentwicklung des Li-Ionen Akkus ist der Lithium-Polymer-Akku.
Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Seine nutzbare Lebensdauer beträgt mehrere Jahre, allerdings stark abhängig von der Nutzung und den Lagerungsbedingungen. Li-Ionen Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Spannungsbedarf, für die herkömmliche Akkus zu schwer oder zu groß wären, beispielsweise Handys, Digitalkameras, Camcorder oder Laptops. Für Anwendungen mit hoher Stromstärke, wie beispielsweise in elektrischen Werkzeugen, sind sie jedoch weniger geeignet.
Kennwerte
Ein konventioneller Li-Ionen-Akku liefert eine Spannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines NiMH-Akkus ist. Die Energiedichte ist mit ca. 100 Wh/kg etwas geringer als die von Alkali-Mangan-Batterien, aber deutlich größer als die konventioneller Akkus. Achtet man auf eine Entladespannung von minimal 3V, um die Lebensdauer zu erhöhen, reduziert sich die Energiedichte auf ca. 60-70 Wh/kg.
Die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus verringert sich selbst ohne Benutzung mit der Zeit, hauptsächlich durch parasitäre Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten. Die Zersetzungsgeschwindigkeit steigt mit der Zellspannung und der Temperatur. Eine Tiefentladung unterhalb 2,4 V kann den Akku dauerhaft schädigen. Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 °C und einem Ladestand von 60%, ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung. Ein Akku sollte etwa alle 6 Monate auf 40%-60% nachgeladen werden. Zur Zeit gilt die Faustregel, dass ein Li-Ionen-Akku nach ca. 3 Jahren mehr als 50% seiner Kapazität eingebüßt hat. Generell sollte Entladen unter 40% vermieden werden, da es bei "tiefen Zyklen" zu größeren Kapazitätsverlusten aufgrund irreversibler Reaktionen in den Elektroden kommen kann. Grundsätzlich ist es besser, Li-Ionen-Akkus "flach" zu zyklen, wodurch sich die Lebensdauer verlängert.
Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkus bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, womit die abgebbare Leistung sinkt. Zudem können die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um –25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0° bis 40 °C an. Optimal sind 20-25 °C. Unter 10 °C kann durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange für den Betrieb eines Camcorders oder einer Digicam ausreicht. Es gibt aber Li-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis -55 °C eingesetzt werden können.
Li-Ionen-Akkus dürfen nur mit spezieller Elektronik geladen werden. Bei einer Tiefentladung oder Überladung schaltet im günstigen Fall eine interne Sicherung den Akku ab, und er ist nicht mehr zu reparieren. Im ungünstigen Fall kann er Feuer fangen. Meist ist die Ladeelektronik bereits in das Akku-Pack integriert.
Prinzip
Ein Lithium-Ionen-Akku erzeugt die elektromotorische Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen.
Beim Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten hindurch von der positiven Elektrode zur negativen, während der Ladestrom die Elektronen über den äußeren Stromkreis liefert. Eine negative Elektrode aus Lithium-Metall ist elektrochemisch optimal, für einen Akku aber ungeeignet. Da sich die Elektrode beim Entladevorgang genauso wie bei einer Lithium-Batterie auflöst, besteht beim Ladevorgang keine Möglichkeit mehr, ihre Geometrie zu rekonstruieren.
Mit folgenden Materialien wird experimentiert (die älteren Materialien zuerst):
Negative Elektrode:
- Graphit (Interkalation von Lithium)
- Nanokristallines, amorphes Silizium (Interkalation von Lithium)
Elektrolyt (wasserfrei)
- Salze, wie LiPF6 in wasserfreien aprotischen Lösungsmitteln
- Polymer aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)
Positive Elektrode
- Spinelle wie LiCoO2, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2 oder LiMn2O4
- Li4Ti5O12
- LiFePO4
Aufbau
Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen (2005) Li-Ionen-Akkus besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält Lithium-Metalloxide mit Spinell-Struktur, meist LiCoO2, LiNiO4 oder LiMn2O4. Die Elektrolytlösung muss wasserfrei sein, damit sie nicht mit dem Lithium reagiert. Meist wählt man eine Mischung von wasserfreien, aprotischen Lösungsmitteln (Ethylencarbonat, Propylencarbonat) mit niedrigviskosen Äthern (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan) und Lithiumsalzen als Elektrolyten.
Beim Laden wandern Lithiumionen zwischen die Graphitebenen (nC); sie bilden mit dem Kohlenstoff eine Interkalationsverbindung (LixnC). Beim Entladen fließen die Elektronen über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode.
Wesentlich für das Funktionieren der Interkalation ist die Ausbildung einer Deckschicht auf der negativen Elektrode, welche für die kleinen Li+-Ionen permeabel, für Lösungsmittelmoleküle jedoch undurchlässig ist. Ist die Deckschicht ungenügend ausgebildet, kommt es zur solvatisierten Interkalation von Li+-Ionen mitsamt den Lösungsmittelmolekülen, wodurch die Graphitelektrode irreversibel zerstört wird.
Reaktionsgleichungen
Negative Elektrode (Entladung):
- LixnC -> nC + x Li+ + x e-
Positive Elektrode (Entladung):
- Li1-xMn2O4 + x Li+ + x e- -> LiMn2O4
Redox-Gleichung:
- Li1-xMn2O4 + LixnC -> LiMn2O4 + nC
Metallisches Lithium kommt also in keiner Reaktion vor, es werden lediglich Li+-Ionen zwischen den Elektroden transferiert. Dadurch sind Li-Ionen-Akkus sicherer als Li-Batterien. Zwar wäre metallisches Lithium aufgrund der wesentlich größeren Energiedichte günstiger, jedoch scheidet sich Lithium aufgrund der Deckschichten auf der Elektrodenoberfläche nicht als kompaktes Metall, sondern fein verteilt ab, wodurch sich ein hochreaktiver Li-Schwamm bildet. Durch Dendritenwachstum durch den Separator kann es zum Kurzschluss und dadurch zum Entzünden des Lithiums kommen.
Ladetechnik
Das Laden von Lithium-Batterien erfolgt grundsätzlich nach dem IU-Ladeverfahren (auch CC/CV-Methode / Constant Current, Constant Voltage genannt):
- Constant Current: Zunächst wird der Ladestrom bei etwa 1 C (C entspricht der auf der Zelle angegebenen Kapazität) konstant gehalten. Bei leeren Zellen, die unter 2,9 Volt haben, wird der Ladestrom zunächst unter 0,5 C gehalten. Nach etwa einer Stunde haben die Zellen ca. 80% der Kapazität erreicht. Allerdings ist es aufgrund der Ladekennlinie von Li-Ionen Zellen nicht möglich, mit konstantem Strom eine vollständige Ladung zu erzielen.
- Constant Voltage: Aus diesem Grund wird in der zweiten Phase mit konstanter Spannung geladen. Die Ladespannung darf hierbei die Maximalspannung der Zelle (abhängig vom Material der positiven Elektrode) nicht überschreiten. Daher hat jede Zelle eine eigene Ladeelektronik, welche auf die Zelle abgestimmt ist. Der Ladevorgang ist nach ca. drei Stunden abgeschlossen. Li-Ionen Zellen sind daher nur bedingt schnellladefähig.
Zu Beginn der Ladung wird der Strom langsam von 0 Ampere bis zum Maximalwert gesteigert. Erst wenn die Spannung über der Zelle 3,6 Volt erreicht, sollte sie mit vollem Strom geladen werden. Nähert sich die Zelle ihrer maximalen Kapazität, steigt der Innenwiderstand an, was wegen des konstant gehaltenen Ladestroms gemäß Ohmschen Gesetz zu einer Steigerung der Zellenspannung führt. Nun greift die Spannungsregelung, die die maximale Zellspannung begrenzt, bis der Ladestrom nur noch ca. 10% des anfänglichen Ladestroms beträgt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ladevorgang beendet. Lithium-Polymer-Akkus sollten bei Nichtgebrauch auf 40%-60% geladen werden.
Im Modellbau, z. B. bei elektrischen Modellhubschraubern, werden bis zu 10 Zellen in Serie geschaltet. Durch Kapazitätsunterschiede, schlechte Selektion oder unterschiedliche Alterung der Einzelzellen können diese unterschiedliche Spannungen aufweisen.
Damit nicht einzelne Zellen in einem in Serie geschalteten Pack überladen werden, kann pro Zelle z. B. ein zweipoliger Steckverbinder herausgeführt werden, an den während des Ladevorgangs so genannte Balancer (Ladebegrenzer) angeschlossen werden (d. s. elektronische Schaltungen, die die Spannungen der einzelnen Zellen auf die maximale Ladespannung begrenzen).
Lagerung und Sicherheitshinweise
Lithium ist ein hochreaktiver Stoff. Auch wenn es nicht wie bei Lithiumbatterien als Li-Metall vorliegt, sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus leicht brennbar. Ausgleichsreaktionen beim Überladen, zum Beispiel die Zersetzung von Wasser wie bei anderen Akkus, sind nicht möglich. Interne Schutzschaltungen sollten ein Verpuffen verhindern, auf alle Fälle zerstören sie die Funktionsfähigkeit des Akkus.
Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Die hohe Stromstärke läßt das Gehäuse schmelzen und in Flammen aufgehen. Unter Umständen ist der Defekt nicht unmittelbar zu erkennen. Noch 30 Minuten später kann es zum Ausbruch eines Feuers kommen.
Sicherheitshinweise:
- Li-Ionen-Akkus sind hermetisch gekapselt. Dennoch sollten sie nicht in Wasser getaucht werden; (defekte) Lithium-Zellen reagieren grundsätzlich heftig mit Wasser (insbesondere in vollgeladenem Zustand).
- Li-Ionen-Akkus sollten nur mit passenden Geräten geladen werden. Schnell-Ladegeräte für Li-Ionen-Akkus, wie sie häufig im Modellbau eingesetzt werden, sollten immer unter Aufsicht und möglichst nicht in der Nähe brennbarer Materialien (wie z. B. Flugzeugmodellen) benutzt werden.
- Li-Ionen-Akkus sind mechanisch empfindlich. Durch internen Kurzschluss und in Kontakt mit Luft können sie sich entzünden.
- Ein beschädigter Li-Ionen-Akku (z. B. durch Absturz eines Modellflugzeugs) kann sich mit einer Zeitverzögerung von 30 Minuten und mehr entzünden.
- Li-Ionen-Akkus sollten niemals kurzgeschlossen werden, nicht über 4,2 V geladen und nicht unter 2,5V pro Zelle entladen werden. Beim Laden ist auf eine gute Wärmeabfuhr zu achten (nicht in die Sonne legen). Mehrere Zellen sollten nur dann gleichzeitig geladen werden, wenn Schutzschaltungen eine überhöhte Spannung oder gar eine Umkehrspannung an einer einzelnen Zelle verhindern.
- Einen brennenden Akku möglichst nicht mit Wasser, sondern mit Sand löschen.
- Ausgelaufene Elektrolytflüssigkeit eines Li-Ionen-Akkus läßt sich von Kleidung mit viel Wasser abwaschen. Die Elektrolytflüssigkeit ist brennbar.
- Es gibt Berichte über Verbrennungen, ausgelöst durch Metallschmuck an Finger oder Handgelenk, der einen Kurzschluss verursachte.
Weblinks
- Berechnung von Verbrauch und Ladezeit
- http://www.batteryuniversity.com/print-partone-5-german.htm
- http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/ion.html Lithium-Ion-System
- http://www.digitalkamera.de/Tip/29/99.htm
- Lithium-Ion batteries for usage on small spacecraft
"Lithium-Ionen-Akku"