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Inhalt:
 Allgemeines / Aufbau
 Laden von Lithiumionenakkus
 Weiterentwicklung von Lithiumionenakkus
    Lithium-Polymer-Akkus (LiPo-Akkus)
    Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus (LiFePO4-Akkus)
  Weitere Themen:
 Bleiakkus (Pb)
 Nickelcadmiumakkus (NiCd)
 Nickelmetallhydridakkus (NiMH)


Grundlagen

Für Lithiumionenakkus gelten die gleichen Grundlagen wie für alle Akkumulatoren. Sofern Sie mit dem grundsätzlichen Aufbau und der Wirkungsweise von Akkus nicht vertraut sind, sei Ihnen die Lektüre der Seite  Akkumulatoren nahegelegt, auf der grundlegende Infos zum  Aufbau von Akkus enthalten sind. Weiterhin können Sie dort eine Erklärung von  Fachbegriffen rund um die Akkutechnik sowie eine Übersicht über die verschiedenen  Akkutypen finden.


Allgemeines / Aufbau

Lithiumionenakku,Lithiumionenkkuzellen abgekürzt LiIon-Akku oder umgangssprachlich Lithiumakku, ist der Oberbegriff für verschiedene Akkutypen, bei denen Lithiumionen beim Laden und Entladen zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern. Als negative Elektrode wird meistens Graphit verwendet, in das beim Laden aus der positiven Elektrode stammendes Lithium eingelagert wird. Man kann statt des Graphits auch andere Materialien wie z.B. Silizium verwenden. Das Material der positiven Elektrode ist von Typ zu Typ unterschiedlich und besteht bei den weitverbreiteten LiIon-Akkus im ungeladenen Zustand aus LiCoO2 oder Li2Mn2O4. Statt Kobalt kann man auch Eisen (in Form von Lithium-Eisenphosphat) oder andere Metalle verwenden, wodurch sich eine unterschiedliche Nennspannung im Bereich von ca. 3,0 bis 3,7 V ergibt. Der flüssige Elektrolyt muß wasserfrei sein, weil Lithium mit Wasser heftig reagiert (Brandgefahr!). Verwendet werden in aprotischen Lösungsmitteln gelöste Lithiumsalze. Aprotische Lösungsmittel sind übrigens Lösungsmittel, die nicht über eine sogenannte funktionelle Gruppe verfügen, aus der Protonen abgespaltet werden können. Aufgrund der Vielzahl der möglichen Elektroden- und Elektrolytmaterialien gibt es selbst bei gleicher Nennspannung nicht den LiIon-Akku sondern zahlreiche Varianten. Es ist daher sinnvoll, sich die Datenblätter der jeweiligen Hersteller anzusehen, wenn man damit mehr machen will als sie nur in industriell hergestellten und für diese Akkus ausgelegten Geräten zu verwenden.

Die Selbstentladung der Lithiumionenakkuzellen selbst ist sehr gering (<5% pro Monat). Durch die fast unvermeidlichen Schutzschaltungen, die auch bei Lagerung ein wenig Strom benötigen, kann er jedoch höher erscheinen. Die volumetrische Energiedichte von LiIon-Akkus ist sehr hoch; sie ist um mehr als Faktor 5 höher als die von NiMH-Akkus. Aufgrund der verwendeten Materialien sind LiIon-Akkus vergleichsweise umweltfreundlich (dahingehend am kritischsten ist der Elektrolyt), müssen aber in Deutschland wie alle Akkus und Batterien trotzdem dem Recycling zugeführt werden. Ihr Händler ist gesetzlich zur Rücknahme verpflichtet. Der Innenwiderstand ist zwar höher als der von NiMH- und erst recht als der von NiCd-Akkus, aber bei gleichem Volumen ist die Kapazität deutlich größer und das Gewicht pro Ah ist viel geringer. Ein Nachteil für manche Anwendungen ist, daß ihr Innenwiderstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Ihr Einsatz bei niedriger Temperatur ist daher stark eingeschränkt. Lithiumionenakkus sind in der Herstellung zwar nicht mehr sonderlich teuer, aber die Vorteile dieses Akkutyps lassen sich die Hersteller vom Endkunden trotzdem gerne gut bezahlen. Außerdem muß erhöhter Aufwand in der Ladeelektronik betrieben werden, da schon eine geringfügig zu hohe Ladespannung zur Entzündung des Lithiums führen kann (das in der Sensationspresse gerne verwendete Wort Explosion ist weit übertrieben). Auch der Entladevorgang muß überwacht werden, da zu hohe Entladeströme zu einer unzulässigen Erhitzung führen kann, die nahtlos in einen Brand übergehen kann. Zudem sollten LiIon-Akkus vor Tiefentladung geschützt werden, da sie dadurch irreversibel geschädigt werden können. Aufgrund des komplexeren Aufbaus und der damit verbundenen höheren Kosten war ihr Einsatz anfänglich auf Geräte der gehobenen Preisklasse beschränkt. Inzwischen werden sie dank durch den Stückzahleffekt sinkender Kosten auch in Massenprodukten wie mobilen Rechnern, Mobiltelefonen, MP3-Playern, Kameras etc. eingesetzt. Auch bei elektrisch betriebenen Werkzeugen wie z.B. Akkuschraubern ersetzen inzwischen LiIon-Akkus immer mehr die bis dahin verwendeten NiCd- oder NiMH-Akkus. Diese haben dort den unschätzbaren Vorteil, daß sie nicht immer leer sind, wenn man sie einmal im Jahr aus dem Schrank nimmt. Leider kommen aber dort vor allem bei nicht sehr teuren Modellen oft LiIon-Akkus zum Einsatz, die nicht nur etwa die Hälfte der bis dahin üblichen Kapazität besitzen und damit die halbe Gebrauchsdauer bis zum Nachladen besitzen, sondern wegen ihres höheren Innenwiderstands vergleichsweise lustlos vor sich hindrehen. Qualitativ hochwertige LiIon-Akkus besitzen diese Nachteile allerdings nicht. Angenehm ist auch, daß sie trotz gleicher oder gar höherer Kapazität deutlich kleiner und leichter als NiCd- oder NiMH-Akkus sind, was das Hantieren mit diesen Werzeugen stark erleichtert.

Die Lebensdauer von Lithiumionenakkus ist auch bei bester Pflege begrenzt, denn LiIon-Akkus altern leider auch dann, wenn sie überhaupt nicht benutzt werden. Sie betrug bei LiIon-Akkus der ersten Generation auf dem Papier in der Regel nur ca. 5 Jahre ab Herstellung und in der Praxis noch weit weniger. Wie sich diesbezüglich aktuelle Akkus verhalten, ist leider nicht hinreichend belegt. Ich persönlich kenne sowohl Negativbeispiele in Form von Laptopakkus (der Begriff Notebook war damals noch nicht erfunden) als auch Positivbeispiele in Form eines Akkus für einen Mini-Disc-Spieler, der sich seit 1995 guter Gesundheit erfreut. Nach Ablauf der spezifizierten Lebensdauer wird der Akku jedoch keineswegs schlagartig unbrauchbar sondern hat lediglich einen definierten Prozentsatz seiner Kapazität verloren (meistens 20%, d.h. 80% Restkapazität), so daß der Hersteller eine Neuanschaffung empfiehlt. Wenn es nichts ausmacht, daß man früher nachladen muß, kann man ihn selbstverständlich noch ganz erheblich länger benutzen. Sehr wichtig ist, daß der Akku nie tiefentladen wird. Um dies zu vermeiden, sind üblicherweise entweder die Akkus oder das Gerät mit einer Elektronik ausgestattet, die bei einer Akkuspannung, die unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, das Gerät abschaltet und so eine Tiefentladung verhindert. Normalerweise lädt man dann baldmöglichst den Akku, und alles ist wieder gut. Eine Tiefentladung kann diese Elektronik jedoch nicht unter allen Umstänmden verhindern: Wenn man nämlich einen bis zur Abschaltschwelle entladenen Akku nicht gleich wieder auflädt sondern entladen lange lagert, entlädt sich der Akku durch die unvermeidliche Selbstentladung noch weiter und endet schlimmstenfalls in der Tiefentladung. Dadurch verliert der Akku dauerhaft an Kapazität oder läßt sich sogar garnicht mehr laden. Zusätzlich erkennen Ladegeräte auch eine nur leichte Tiefentladung und verweigern dann das Aufladen, weil tiefentladene Zellen nicht mit dem normal üblichen Strom geladen werden dürfen. Manchmal verweigert auch die in den Akku integrierte Schutzschaltung das Aufladen. Prinzipiell kann man diese Akkus durch Laden mit geringem Strom wieder soweit aufpäppeln, daß sie mit den üblichen Ladegeräten wieder geladen werden können, aber dem elektrotechnisch unbedarften Laien ist dies nicht möglich, weshalb der Akku dann de facto Schrott ist.

Wenn Sie LiIon-Akkus längere Zeit nicht benutzen, sollten Sie sie unbedingt aus dem jeweiligen Gerät entfernen und separat lagern. Denn viele Geräte ziehen auch dann Strom aus dem Akku, wenn sie ausgeschaltet sind. Dieser Strom ist zwar normalerweise sehr gering, aber er würde einen Akku bei längerer Lagerung sprich längerer Stromentnahme tiefentladen und damit unbrauchbar machen. LiIon-Akkus altern am wenigsten, wenn der Ladestand im Bereich von 40-60% liegt, sie kühl aber frostfrei und unbedingt trocken gelagert werden. Den Akku zusammen mit einem wasserbindenden Silikagel-Päckchen in einer luftdichten Plastikbox oder einem luftdichten Plastikbeutel in einem kühlen Raum zu lagern, ist daher eine gute Idee. Wegen der unvermeidlichen Selbstentladung sollten Sie bei Einlagerung den oberen Wert anpeilen, sofern es eine Ladestandsanzeige gibt. Um bei längerer Lagerzeit keine Tiefentladung durch Selbstentladung oder Entladung durch die integrierte Überwachungselektronik zu riskieren, ist es angebracht, sich im Kalender alle 3 Monate einen Prüftermin einzutragen und ggf. nachzuladen. Auch in Benutzung ist es theoretisch sinnvoll, den Ladestand permanent im Bereich von 40-60% zu halten, sofern Sie nur einen kleinen Teil der Akkukapazität benötigen. Es ist allerdings in der Praxis nur selten praktikabel, weil die Ladeelektronik mit dem Laden erst dann aufhört, wenn der Akku voll aufgeladen ist; und wer bei 60% Ladestand das Ladekabel absteckt und im Akkubetrieb auf 40% entlädt, verkürzt die Lebensdauer des Akkus wegen der im Grunde völlig unnötigen zusätzlichen Lade-/Entladezyklen. Es ist zwar für die Akkulebensdauer besser, ihn zwischen 40 und 60% zu betreiben als zwischen 80 und 100% oder gar zwischen 0 und 20%, aber in der Praxis sollte man ihn lieber im oberen Ladestandsbereich betreiben, als ihm unnötige Zyklen zuzumuten oder ihn gar permanent im unteren Ladestandsbereich zu quälen. Darüberhinaus sind viele Zyklen mit geringer Entladungstiefe im Sinne einer längeren Lebensdauer günstiger als wenige, bei denen die gesamte Akkukapazität abgerufen wird; also den Akku lieber zehnmal zwischen 40 und 60% zyklen als zweimal zwischen 0 und 100%, was in Summe der gleichen Ladungsentnahme entspricht. Diese Betriebsweise führt weder zu einem  Memory-Effekt noch einem  Lazy-Akku-Effekt, da LiIon-Akkus weder eine Nickel- noch eine Cadmium-Elektrode besitzen und auch ähnliche Effekte völlig unbekannt sind.


Laden von LiIon-Akkus

Das Laden von einzelnen LiIon-Zellen ist recht einfach und erfolgt im einfachsten Fall mit einer Konstantspannung mit Strombegrenzung. Es muß jedoch sichergestellt sein, daß diese Konstantspannung die maximal zulässige Ladespannung auf gar keinen Fall überschreitet, weil sich andernfalls wie bereits erwähnt das Lithium entzünden kann. Bei den heute üblichen Typen mit einer Nennspannung von 3,6 V beträgt die maximale Ladespannung fast immer 4,10 V und 4,20 V bei Akkus mit einer Nennspannung von 3,7 V. Problematisch wird es, wenn 2 oder noch mehr Zellen in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Spannung zu erreichen. Schon bei einer nur geringen Unsymmetrie zwischen den Zellen würde eine Zelle überladen mit der Gefahr der Entzündung, wenn sich beispielsweise bei 2 Zellen eine Ladespannung von 8,40 V zu 4,30 V und 4,10 V auf die beiden Zellen aufteilt. Dies vermeidet man durch Einsatz eines sogenannten Balancers, der meistens (von außen nicht sichtbar) zusammen mit weiteren Schutzschaltungen ins Akkugehäuse eingebaut ist.

Mit diesen Details brauchen Sie sich aber normalerweise nicht herumzuschlagen, wenn Sie ein kommerzielles Gerät mit LiIon-Akkus verwenden. Aus oben besagten Gründen wird das Ladegerät nämlich immer mitgeliefert oder ist gleich in das Gerät integriert - der oben erwähnte Balancer als Teil der Ladeelektronik dabei meistens im Akkugehäuse. Ebenfalls enthalten ist fast immer ein Tiefentladungsschutz, der eine Entladung der Zellen unter eine bestimmte Spannung verhindert, um eine Schädigung zu vermeiden. Diese Abschaltspannung liegt je nach Typ zwischen ca. 2,5 V und 3,0 V. Die Ladeelektronik und der Tiefentladungsschutz ist dabei exakt auf den vom Hersteller vorgesehenen Akku ausgelegt. Damit nicht der falsche Akkutyp damit aufgeladen wird, sind die Akkus fast immer gerätespezifisch und gewollt mechanisch so gebaut, daß sie nur ganz selten in andere Geräte passen. Es ist nachvollziehbar, daß einerseits die Verwendung eines anderen Akkutyps wegen der Brand- bzw. Explosionsgefahr ausgeschlossen werden muß und andererseits Akkus so geformt sind, daß sie am besten ins Gerätekonzept des jeweiligen Gerätetyps passen, aber m.E. ist die Vielfalt an verschiedenen Formen unnötig hoch. In Anbedacht der sehr hohen Preise liegt es nahe, daß proprietäre Akkus in erster Linie dazu dienen, sich lästige Konkurrenz vom Hals zu halten. Denn wenn man diverse Notebookakkus öffnet (meist nur zerstörend möglich, was das Plastikgehäuse betrifft), finden sich im Innern meistens die immer gleichen Standardzellen, die von ganz wenigen Herstellern stammen. Trotz der von den Herstellern installierten Hindernisse gibt es für viele populäre Geräte Nachbauten. Normalerweise spricht nichts gegen deren Verwendung. Es ist zwar richtig, daß es in der Vergangenheit speziell bei Mobiltelefonakkus minderwertige Nachbauten ohne integrierte Schutzbeschaltung gab, aber diese Zeit ist schon lange vorbei.


Weiterentwicklung von LiIon-Akkus

Auf dem Gebiet der LiIon-Akkus gab es in den letzten Jahren zahlreiche Verbesserungen, und die Entwicklung geht immer weiter. So wurde die Lebensdauer und vor allem auch die mögliche Zyklenzahl drastisch erhöht. Hinzu kamen Modelle mit besonders niedrigem Innenwiderstand, bei denen sowohl die zulässigen Entladeströme als auch Ladeströme deutlich höher sind als bei Standardtypen. Diese kommen beispielsweise bei hochwertigen Werkzeugakkus und Modellbauanwendungen (speziell bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen/Flugzeugen) zum Einsatz. Für den Einsatz in "richtigen" Autos sind Akkus auf LiIon-Basis noch nicht geeignet, weil ihre Leistungsfähigkeit bei niedriger Temperatur (Winter!) sehr stark nachläßt und bei Überhitzung oder mechanischer Beschädigung (z.B. durch Unfall) Feuergefahr droht. Es werden aber derzeit Akkus entwickelt, die fahrzeugtauglich sein sollen. Die Tatsache, daß man bereits seit einiger Zeit Fahrzeuge mit Lithiumionenakkus kaufen kann, heißt übrigens nicht, daß man diese Probleme bereits gelöst hat; im Tesla Roadster werden beispielsweise ganz normale Zellen verwendet, die identisch mit denen sind, die in Notebooks verwendet werden. Daher ist es wenig erstaunlich, daß trotz der sehr geringen ausgelieferten Stückzahl bereits mehrere Fahrzeuge dieses Typs inzwischen abgebrannt sind, wobei die Akkus als Ursache vermutet werden.

Lithium-Polymer-Akkus (LiPo-Akkus)

Bei Lithium-Polymer-Akkus, meistens kurz LiPo-Akkus genannt, handelt es sich um eine Abwandlung von LiIon-Akkus, bei denen kein flüssiger Elektrolyt verwendet wird sondern ein Feststoffelektrolyt auf Polymerbasis, welches eine gelartige Konsistenz besitzt. Da hierbei kein Elektrolyt auslaufen kann, brauchen LiPo-Akkus kein äußeres Gehäuse. Zudem kann man sie sehr einfach in beliebiger Form herstellen, weil man lediglich 3 Folien übereinanderstapeln muß: Negative Elektrode, Polymer, positive Folie. Wegen des nicht notwendigen Gehäuses sind sie etwas kleiner und leichter als LiIon-Akkus mit flüssigem Elektrolyten, was sie in Modellbaukreisen sehr beliebt gemacht hat. Nachteilig wenngleich für den Modellbau irrelevant ist die geringe Ionenleitfähigkeit des Polymers bei niedriger Temperatur. Dadurch steigt der Innenwiderstand noch stärker als bei konventionellen LiIon-Akkus an, wodurch der LiPo-Akku unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr genug Strom liefern kann. Geräte mit solchen Akkus wie z.B. Mobiltelefone oder MP3-Player sollte man im Winter daher möglichst unter der Jacke tragen.

Beim Laden von LiPo-Akkus ist noch mehr Sorgfalt erforderlich als bei LiIon-Zellen, die in einem Gehäuse eingebaut sind. Denn das Gehäuse kann oft das Schlimmste verhindern, falls der Akku doch ein klein wenig überladen wird und zu kokeln anfängt. Bei LiPo-Zellen fällt dieser Sicherheitsaspekt komplett weg, und zusätzlich steht auch der Frischluftversorgung eines entstehenden Brandes nichts im Weg.

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus (LiFePO4-Akkus)

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus, manchmal auch als LiFePo- oder LiFePO4-Akku abgekürzt, sind LiIon-Akkus mit flüssigem Elektrolyten. Bei Ihnen besteht die positive Elektrode aus Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4). Sie besitzen gegenüber den weitverbreitetem LiIon-Akkus mit LiCoO2 oder Li2Mn2O4 als Elektrodenmaterial einen ganz erheblich niedrigeren Innenwiderstand, der sie für Hochstromanwendungen prädestiniert. Zusätzlich kann man sie, wenn es sein muß, in wenigen Minuten nahezu volladen; für die letzten paar Prozent zur Volladung muß man allerdings deutlich mehr Zeit veranschlagen. Weitere Vorteile der LiFePO4-Akku im Vergleich zu konventionellen LiIon-Akkus sind:
  • besseres Kälteverhalten
  • mehr Ladezyklen möglich, wenn man die deutlich bessere Hochstromfähigkeit nicht zur Gänze ausnutzt
  • höhere Energiedichte
  • weniger Lithium für den gleichen Energieinhalt notwendig
Nachteilig ist lediglich, daß der Preis von LiFePO4-Zellen erheblich höher ist und daß Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus wegen der geringeren Nennspannung von 3,3 V konventionelle LiIon-Akkus nicht ohne weiteres ersetzen können, selbst wenn die Bauform die gleiche ist (z.B. standardisierte 18650- oder 26650-Zellen, die oft in Notebook-Akkus verwendet werden).
   

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Letztes Update dieser Seite: 23.08.2014 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)