Dipl.-Ing. Andreas Terboven
Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus mehreren einzelnen Zellen, die innerhalb dieses Akkus immer gleich aufgebaut sind. Die positive Elektrode, Kathode genannt, besteht aus Lithium-Metalloxid, das unterschiedlich hohe Anteile an Nickel, Kobalt und Mangan enthalten kann. Die negative Elektrode, Anode genannt, besteht meistens aus Graphit, also Kohlenstoff. Anode und Kathode werden von einem Elektrolyt umgeben, so dass sich die Lithium-Ionen als Ladungsträger in der Zelle bewegen können.
Damit Kurzschlüsse verhindert werden, gibt es zwischen den beiden Elektroden einen Separator. Dieser Separator, der aus Vliesstoffen oder polymeren Folien besteht, ist für Lithium-Ionen durchlässig. Daher können sich die Lithium-Ionen zwischen der negativen und positiven Elektrode bewegen.
Beim Laden eines Akkus wandern Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Beim Entladen kehren die Ionen zurück zur Kathode und geben hierbei Energie ab.
Abb. 1: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle
Sofern mehrere Zellen zu einem Modul zusammengebaut werden, wird es üblicherweise mit einem Batteriemanagementsystem versehen. Dieses Batteriemanagementsystem steuert Kapazität, Energie und Leistung des Akkus. Bei einer längeren Lagerung eines Lithium-Ionen-Akkus verhindert es auch eine Tiefentladung, was wiederum eine verlängerte Lebensdauer des Akkus mit sich bringt.
2.1 Leistungsspektrum
Lithium-Ionen-Akkus und Batterien gibt es in völlig unterschiedlichen Größen und Leistungen. Die kleinsten Batterien und Akkus werden im unteren Leistungsspektrum verwendet. Hierzu gehören beispielsweise
- mobile Kommunikationsgeräte, wie Smartphones, Tablets, Notebooks usw.,
- Multimedia-Geräte, wie Kameras, mobile Bluetooth-Geräte (Kopfhörer, Lautsprecher…).
Aber auch kabellose Steuerungstechnik oder Notbeleuchtungen sind dem unteren Leistungsspektrum zuzuordnen, die sich der Lithium-Ionen-Technologie bedienen.
Zum mittleren Leistungsspektrum zählen E-Bikes, Kleinfahrzeuge, Rollstühle, Gartengeräte (Rasenmäher, Sägen etc.) sowie leistungsstarke Elektrowerkzeuge, die heutzutage schon in vielen Haushalten zu finden sind.
Zum oberen Leistungsspektrum der Akkutechnik gehören Fahrzeuge, wie Elektro- und Hybrid-Pkw, Hybrid-Busse, -Bahnen und Lkw oder Flurförderzeuge. Weitere akkubetriebene Anlagen, beispielsweise Solarstromspeicher und Notstromgeneratoren, runden das obere Leistungsspektrum ab.
2.2 Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien und Akkus
Lithium-Ionen-Akkus haben gegenüber herkömmlichen Akkumulatoren einige Vorteile, weshalb sie diese bereits in hohem Maße verdrängen konnten. Der größte Vorteil liegt in der hohen Energiedichte, die bei einem Lithium-Ionen-Akku ca. doppelt so hoch ist wie bei einem herkömmlichen Nickel-Cadmium-Akku. Das bedeutet, dass die Lithium-Ionen-Akkus die doppelte Energie speichern können. Hierdurch kann entweder die Baugröße im Vergleich zu früheren Akkus verringert werden (wodurch sich auch ein geringeres Gewicht des Akkus ergibt), oder der Lithium-Ionen-Akku kann bei gleicher Baugröße die doppelte Arbeit leisten.
Lithium-Ionen-Akkus entladen sich kaum. Herkömmliche Akkus hingegen entladen sich bei Raumtemperatur auch bei Nichtbenutzung. Die Selbstentladung gibt es bei Lithium-Ionen-Akkus nur in geringem Maße. Bei einer Lagerung der Akkus, z. B. im Winter, liegt die Selbstentladung in der Regel bei ca. 2 %. Zu beachten ist, dass Akkus kühl, aber frostfrei gelagert werden sollen.
Ein weiteres Plus ist die lange Lebensdauer. Je nach Bauart des Lithium-Ionen-Akkus wird sie mit 800 – 2000 Ladezyklen angegeben. Selbstverständlich kann dies nur ein Richtwert sein, da sich die Lebensdauer eines Akkus durch eine entsprechende Nutzung verlängern lässt. Die Lagerung des Akkus bei kühlen Temperaturen sowie das erneute Aufladen bei einem Kapazitätsstand von 50 % kann die Lebensdauer um das Doppelte erhöhen.
Ein weiterer, großer Vorteil ist, dass Lithium-Ionen-Akkus keinen Memory-Effekt besitzen.
Memory-Effekt
Die früher weit verbreiteten Nickel-Cadmium-Akkus besaßen einen sogenannten "Memory-Effekt". Mit dem Memory-Effekt wurde der Kapazitätsverlust beschrieben, der dann auftrat, wenn ein Akku mehrfach aufgeladen wurde, obwohl er noch nicht vollständig entladen war. Durch diese Teilentladung kommt es zu einem Kapazitätsverlust des Akkus. Der Akkus "merkt" sich quasi den Energiebedarf der letzten Ladevorgänge und lädt nur noch diese Energiemenge auf. Dies hat einen früheren Spannungsabfall zur Folge. Verbraucher, die vom Akkus gespeist werden, benötigen jedoch eine Mindestspannung. Sofern die Zellenspannung unter diesen Wert sinkt, kann sie diesen Verbraucher nicht mehr versorgen.
Um dies zu vermeiden, sollte ein Nickel-Cadmium-Akku daher fast vollständig entladen werden, bevor er erneut geladen wird. Auf diese Weise wird eine möglichst große Leistung des Akkus auch über einen längeren Zeitraum gewährleistet.
2.3 Nachteile gegenüber herkömmlichen Batterien und Akkus
Lithium-Ionen-Akkus haben nicht nur erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Akkus, sondern auch Nachteile. Hier ist z. B. der äußere Temperatureinfluss zu nennen. Lithium-Ionen-Akkus sind empfindlich gegenüber H...