Lithium-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus – leistungsstarke Energiespeicher

Lithium-Ionen-Akku (umgangssprachlich auch „Lithium Batterie” genannt) ist ein Oberbegriff für eine lithiumbasierte Akkutechnologie, die vor allem durch folgende Merkmale hervorstechen kann:

• hohe Energie- und Leistungsdichte
• sehr geringe Selbstentladungsrate
• gegenüber anderen Akkuarten fehlender Memory-Effekt
• lageunabhängige Nutzungsmöglichkeit
• hohe Zyklenzahl

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Im wiederaufladbaren Lithium-Akku ist nichtmetallisches Lithium an den Elektroden angelagert. Die frei beweglichen Lithium-Ionen bewegen sich beim Lade-/Entladevorgang des Akkus entsprechend der Stromflussrichtung frei durch den nicht-wässerigen Elektrolyten und einen Separator. Die Elektroden bestehen auf der Minus-Seite aus Graphitverbindungen. Von dieser Elektrodenseite aus wandern die Lithium-Ionen beim Entladevorgang in Richtung Plus-Elektrode, die durch Übergangs-Metallverbindungen gegen direktes Anlagern der Lithium-Ionen quasi abgeschirmt ist. Diese Materialien nehmen zunächst die Elektronen bei der Akku-Ladung auf und geben diese an die Lithium-Ionen ab, die wieder in Richtung negativer Elektrode wandern. Hier finden wir je nach Akkutyp u. a. Cobalt-, Nickel,- Mangan- oder Eisen-Ionen.

Verschiedene Formen von Lithium Akkus

Der Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akku) ist die wohl verbreitetste Form der Li-Ion-Akkutechnologie. Er hat u. a. wegen des mechanischen Aufbaus von Elektroden, Elektrolyt und Separator ein festes Gehäuse, ist über einen relativ weiten Temperaturbereich nutzbar und hat einen hohen Energiegehalt. Er wird überall da eingesetzt, wo es auf diese Eigenschaften ankommt. Seine Zellspannung beträgt je nach Technologie 3,6 bis 3,8 V, jedoch max. bei Vollladung bis zu 4,2 V. Dies ist auch die Ladeschlussspannung, die bei allen Lithium-Akkus sehr genau eingehalten werden muss, da es beim Überladen zum so genannten thermischen Durchgehen aufgrund erhöhter Sauerstoff-Freisetzung der chemischen Reaktion kommen kann. Lithium-Ionen-Akkus kommen als konfektionierte Akkupacks oder in verschiedenen Rundzellenformen wie z. B. als 1865 Akku zum Einsatz. Die Rundzellen sind mechanisch nicht kompatibel zu gängigen Primärbatteriegrößen, um eine Verwechslungsgefahr auszuschließen.

Der Lithium-Polymer-Akku (Li-Po-Akku) ist vom grundsätzlichen Aufbau her auch ein typischer Lithium-Akku. Er hat jedoch statt des flüssigen Elektrolyten einen fest oder in einem Gel in einer sehr dünnen Folie auf Polymerbasis gebundenen Elektrolyten und ist somit nur eine andere Bauform. Dessen Vorteil ist die hohe mechanische Flexibilität des gesamten Akkus, weshalb Li-Po-Akkus in nahezu beliebigen Formen und Größen herstellbar sind. Aufgrund der geringen Dicke einer Zelle lassen sich mehrere Zellen sehr kompakt schichten.
Umgeben ist der Akku dabei von einer ebenfalls flexiblen Folie. Dieser Aufbau macht den Akku auch besonders leicht, damit ist er neben dem besonders flachen Aufbau bei mobilen Anwendungen sehr beliebt. Er ist auch kostengünstiger produzierbar als ein Li-Ion-Akku.
Nachteile sind ein etwas geringerer Energiegehalt, höhere Empfindlichkeit gegen Überladung/Tiefentladung und vor allem Über-/Untertemperatur sowie eine erhöhte Empfindlichkeit gegen mechanische Beschädigungen. Die nominelle Zellenspannung des Li-Po-Akkus liegt bei 3,6 V. Die Ladeschlussspannung beträgt je nach Typ 4, bis 4,2 V (Herstellerhinweise beachten).

Der Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4) ist ein Lithium-Ionen-Akku, der statt des aus Umweltschutzgründen umstrittenen Lithium-Cobalt-Oxids eine positive Elektrode aus Lithium-Eisenphosphat und eine negative Elektrode aus Graphit mit in diesem eingelagerten Lithium enthält. Durch diese Eigenschaften wird das in der Zelle vorhandene Lithium zum einen besser ausgenutzt (höhere Leistungsdichte) und zum anderen entfällt hier die Sauerstofferzeugung, was den Akku insgesamt störsicherer macht. Er ist weder durch Hochstrom-Ladung/Entladung noch durch mechanische Beschädigung zu einer thermischen Reaktion (Brand) zu veranlassen und somit erheblich sicherer im Umgang. Neben der Hochstromfähigkeit auch beim Laden (andere Lithium-Technologien laden i. d. R. mit max. 1 C, ggf. je nach Herstellervorschrift höher) kann er auch in einem erweiterten Temperaturbereich betrieben werden und besitzt eine sehr hohe Zyklenfestigkeit. Auch ist er unempfindlicher gegen temporäre Tiefentladung als andere Lithium-Akkutypen. Der Nachteil ist eine geringere Energiedichte als sie bei anderen Lithium-Akkutechnologien erreicht wird. Die Zellenspannung beträgt hier nominal 3,3 V, während die Ladeschlussspannung bei 3,6 V liegt. Der LiFePO4-Akku kommt in verschiedenen Bauformen wie z. B. als prismatische, anreihbare Zelle oder als Rundzelle zum Einsatz.

Laden, Entladen und Betrieb

In jedem Fall müssen im Umgang mit Lithium-Akkus auf die jeweilige Technologie abgestimmte Ladegeräte bzw. Lademodi eingesetzt werden. Bei Überschreitung der jeweiligen Ladeschlussspannung bzw. Entladeschlussspannung bereits um geringe Beträge drohen insbesondere bei den Li-Ion-Akkus und den Li-Po-Akkus irreversible Schäden bis hin zum Brandausbruch. Auch ist die jeweils maximal zulässige Lade- und Entladerate des Akkus einzuhalten. In der Umgebung des Akkus dürfen sich keine brennbaren Gegenstände befinden.

Bei mehrzelligen Akkus sind unbedingt Balancer einzusetzen, die eine Spannungsdifferenz zwischen einzelnen Zellen ausgleichen. Diese sind oft in Ladegeräte bereits integriert oder sie sind Bestandteil eines so genannten Batterie-Management-Systems (BMS), das bei mehrzelligen Akku-Anordnungen vielfach eingesetzt wird. Es schützt die Akkuzellen eines Akkupacks vor Über- und Tiefentladung, gleicht mit einem integrierten Balancer die Zellenspannungen aus, überwacht die Entladeströme und Zellentemperaturen, begrenzt diese ggf. und zeigt je nach Ausstattung dem Nutzer den Ladezustand des Akkus an.

Die meisten industriell konfektionierten Einzel-Akkus enthalten bereits eine integrierte Schutzelektronik (PCB), die die Akkus vor falscher Behandlung wie z. B. der Tiefentladung, schützt.
Akkuzellen ohne eine solche Schutzelektronik, die vor allem im hochstromintensiven Einsatz in Werkzeugen und sonstigen Antrieben arbeiten, müssen zwingend in ein BMS eingebunden werden, um Schäden und gar Brände zu verhindern.

Brandfall und Lagerung

Gerät ein Lithium-Akku in Brand (hier werden Temperaturen bis 8°C erreicht), ist er nur durch absoluten Luftabschluss zu löschen wie z. B. mit stark kühlenden, sauerstoffabschließenden Löschmitteln, Löschsand oder durch Eintauchen in Wasser. Bei einem Akkubrand ist zu beachten, dass insbesondere größere Akkubrände nur sachgerecht durch die Feuerwehr gelöscht werden sollen. Es kann z. B. nach einem vermeintlich erfolgreichen Löschen nach einiger Zeit wieder zu einer erneuten thermischen Reaktion des Akkus kommen und der Brand bricht erneut aus. Außerdem werden beim Brand giftige Inhaltsstoffe ausgestoßen, die Gesundheitsstörungen verursachen können. Daher ist ein einmal in Brand geratener Akku in einem Wasserbehälter oder anderen Spezialbehältern der Feuerwehr sicher zu lagern.

Sollen Lithium-Akkus länger unbenutzt gelagert werden, sollte dies niemals vollgeladen oder gar entladen geschehen – hier sind Akkuschäden vorprogrammiert. Diese Akkus sollten zu ca. 6% geladen (Li-Ion/Li-Po bei ca. 3,8 V, LiFePO4 bei ca. 2,8 bis 3 V) bei Zimmertemperatur gelagert werden. In diesem Zustand müssen sie aufgrund der nur sehr geringen Selbstentladungsrate von 1 bis 2% je Monat nur alle ein bis zwei Jahre nachgeladen werden. Viele Lithium-Akkuladegeräte verfügen dazu über einen speziellen Lagerungsmodus (Storage), der den Akku entsprechend einstellt.