Lithium-Ionen - Akku

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Ist Lithium-Ion der ideale Akku ?

Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePo4)Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus sind eine 1997 an der University of Texas entwickelte Variante der Lithium-Ionen-Akkus, bei der Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4, 'LFP') anstatt Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2) als Kathodenmaterial verwendet wird.

Li-Eisenphosphat als Kathodenmaterial bringt gegenüber herkömmlichen Li-Ion-Akkus bzw. alternativen Technologien wie Li-Ion/Mangan Hochstromzellen verschiedene Vor- und Nachteile mit sich, die maßgeblich über die künftigen Marktchancen und Anwendungsbereiche entscheiden.

Wesentliche Vorteile von LFP (LiFePo4) liegen im günstigen Preis sowie in hoher Eigensicherheit und Umweltverträglichkeit.

Hemmnisse liegen in der schlechten elektrischen Leitfähigkeit und langsamen Lithium-Diffusion bei LFP bzw. der Bewältigung der damit verbundenen Performance-Probleme von LFP-Zellen.

Rohstoffsituation

LiFePO4 ist der chemische Grundstoff, aus dem das gelbe bis grasgrüne Mineral Tavorit besteht. Das für Akkus verwendete LFP-Pulver jedoch wird ausschließlich synthetisch (Feststoffreaktionen bei hohen Temperaturen) gewonnen. Eisenphosphat lässt sich deutlich billiger herstellen als das für Li-Ion-Akkus verwendete Kobaltoxid. Noch gravierender ist jedoch, dass Kobalt von nur wenigen Ländern geliefert wird, was jenen Rohstoff anfälliger für enorme Preisschwankungen infolge von Rohstoffspekulationen macht.

Für Eisenphosphat sind solche Unwägbarkeiten weniger zu erwarten, da die Rohstoffe für diese Substanz weltweit leicht verfügbar sind.

Eigensicherheit und Umweltverträglichkeit

LFP neigt aufgrund der starken chemischen Bindung seines Sauerstoffgehaltes nicht zur Bildung von Feuer bzw. zur Explosion ('thermal runaway'), LFP-Zellen weisen somit bereits bauartbedingt eine hohe Eigensicherheit auf.

Diese positive Eigenschaft wird noch unterstützt durch eine hohe strukturelle Stabilität von LFP-Kathoden sowie die Ungiftigkeit und gute Umweltverträglichkeit von LFP.

Während vieler Jahren war Nickel-Kadmium die einzige taugliche Batterie für tragbare Anwendungen von drahtloser Kommunikation bis zu tragbaren Computern. Um 1990 erschienen Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ion, die beide höhere Kapazitäten anboten. Beide Chemien bekämpften sich Kopf an Kopf, und jede beanspruchte die bessere Leistung und die kleineren Abmessungen für sich. Heute hat die Lithium-Ion die Nase klar vorne und ist zur am meisten erwähnten Batterie geworden. Es ist die am meisten wachsende und die viel versprechendste Batteriechemie. Die Lithium-Ion-Batterie

Die ersten Arbeiten mit Lithiumbatterien begannen 1912 unter G.N. Lewis, aber erst in den frühen 70ern wurde die erste wiederaufladbare Lithiumbatterie kommerziell lieferbar. Lithium ist das leichteste Metall, hat das grösste elektrochemische Potenzial und liefert die grösste Energiedichte pro Gewichtseinheit.

Verschiedenen Versuche, eine wiederaufladbare Lithiumbatterie zu entwickeln, schlugen fehl, hauptsächlich wegen Sicherheitsproblemen. Auf Grund der natürlichen Instabilität von metallischem Lithium, speziell während der Ladung, bewegte sich die Entwicklung in Richtung einer nicht metallischen Lithiumbatterie, unter Verwendung von Lithium-Ionen. Auch wenn diese Batterie eine etwas kleiner Energiedichte liefert als metallisches Lithium, Lithium-Ion ist eine sichere Substanz, wenn gewisse Vorkehren getroffen werden während der Ladung und Entladung. 1991 brachte Sony Corporation die erste Lithium-Ionen-Batterie kommerziell auf den Markt. Andere Hersteller folgten.

Die Energiedichte von Lithium-Ion ist typischerweise etwa das Doppelte einer standardmässigen Nickel-Kadmium-Batterie. Zudem gibt es noch Potenzial für höhere Energiedichten. Die Belastungscharakteristik ist recht gut, und sie verhält sich ähnlich wie Nickel-Kadmium in bezug auf die Entladung. Die hohe Zellenspannung von 3,6V erlaubt Batterien zu bauen mit nur 1 Zelle. Die meisten heutigen Mobiltelefone arbeiten mit einer Einzelzelle. Eine Batterie auf Nickelbasis benötigt 3 in Serie geschaltete 1,2V-Zellen.

Eine Lithium-Ion-Batterie benötigt nur wenig Wartungsaufwand, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemien nicht für sich beanspruchen können. Da kein Memory-Effekt auftritt, ist kein regelmässig durchgeführter Lade/Entlade-Zyklus nötig, um die Lebenserwartung der Batterie zu verlängern. Dazu kommt, dass die Selbstentladung weniger als die Hälfte einer Nickel-Kadmium-Batterie beträgt, was die Lithium-Ion-Batterie besonders für moderne Fernsteuerungen tauglich macht. Lithium-Ion-Zellen verursachen nur geringe Schäden beim Entsorgen.

Trotz all diesen allgemeinen Vorteilen, hat die Lithium-Ion-Batterie auch ihre Nachteile. Sie ist empfindlich und benötigt eine Schutzschaltung, um die nötige Sicherheit zu gewährleisten. In die Batterie eingebaut, begrenzt die Schutzschaltung die Spitzenspannung jeder Zelle während dem Ladevorgang und verhindert, dass die Zellenspannung zu tief absinkt beim Entladen. Zusätzlich wird die Zellentemperatur überwacht, um extreme Temperaturen zu verhindern. Der maximale Lade- und Entladestrom ist zwischen 1C und 2C begrenzt. Dank diesen Vorkehren wird eine Lithiummetallisierung, die bei Überladung entstehen kann, praktisch eliminiert.

Die Alterung betrifft die meisten Lithium-Ion-Batterien, und viele Hersteller vermeiden es, über dieses Problem zu sprechen. Eine Verschlechterung der Kapazität ist bereits nach einem Jahr bemerkbar, ob nun die Batterie gebraucht wurde oder nicht. Die Batterie versagt ihren Dienst häufig nach zwei oder drei Jahren. Es muss jedoch gesagt werden, dass auch andere Batterien auf Alterung zurückzuführende Verschlechterung der Kapazität zeigen. Dies trifft speziell zu auf Nickel-Metallhydrid-Batterien, die zu hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt waren.

Hersteller verbessern die Lithium-Ion-Batterien dauernd. Neue und bessere chemische Verbindungen werden ungefähr alle sechs Monate eingeführt. Bei solch schnellen Fortschritten ist es schwierig, zu beurteilen, wie gut eine geänderte Batterie in bezug auf Alterung sein wird.

Eine Lagerung an einem kühlen Ort verlangsamt den Alterungsprozess von Lithium-Ion (und anderen Chemien). Hersteller empfehlen Lagerungstemperaturen von 15°C. Zusätzlich sollten die Batterien während der Lagerung teilweise geladen sein. Die Hersteller empfehlen eine 40%-Ladung.

Die wirtschaftlich günstigste Lithium-Ion Batterie in bezug auf das Preis/Energie-Verhältnis ist die zylindrische Batterie 18650 (wobei 18 der Durchmesser und 650 die Länge in mm sind). Diese Zelle wird vorwiegend für Laptops angewendet wie auch für andere Applikationen, wo kein Wert auf besonders schlanke Geometrie gelegt wird. Wenn eine ganz kleine Batterie nötig ist, ist die prismaförmige Lithium-Ion-Zelle die beste Wahl. Diese Zellen sind teurer in Bezug auf die gespeicherte Energie.

Vorteile:

· Hohe Energiedichte - Potential für noch höhere Kapazitäten ist vorhanden · Benötigt keine längere Formatierung, wenn neu. Eine einzige normale Ladung genügt. · Verhältnismässig kleine Selbstentladung - die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte jener auf Nickel basierenden Batterien. · Kleine Wartung - da kein Memoryeffekt besteht, wird keine regelmässige Entladung benötigt.

Grenzen:

· Benötigt eine eingebaute Schutzschaltung, um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimiten zu halten. · Ist der Alterung unterworfen, auch wenn sie nicht gebraucht wird - lagern der Batterie in einem kühlen Raum bei einer 40%-Ladung reduziert den Alterungseffekt. · Entladestrom ist moderat - nicht verwendbar für starke Belastung · Einschränkung bei Transporten - verschiffen von grösseren Mengen können zu Kontrollen führen. Diese Einschränkungen beziehen sich nicht auf persönlich mitgeführte Batterien. · Aufwendig in der Herstellung - ca. 40% höhere Herstellungskosten als bei Nickel-Kadmium. · Nicht total ausgereift - Metalle und Chemien ändern kontinuierlich.


Die Lithium-Polymer-Batterie (Akku)

Die Lithium-Polymer-Batterie unterscheidet sich von konventionellen Batterien in der Art des verwendeten Elektrolyts. Die ursprüngliche Version, aus der Zeit um 1970, verwendete ein trockenes, festes Polymerelektrolyt. Dieses Elektrolyt gleicht einer plastikähnlichen Schicht, die für Elektrizität nicht leitfähig ist, aber einen Ionenaustausch gestattet (elektrisch geladenen Atome oder Gruppen von Atomen). Der Polymerelektrolyt ersetzt das traditionelle poröse Trennelement, welches mit Elektrolyt gesättigt ist.

Die Lösung mit trockenem Polymer bietet Vereinfachungen in Bezug auf Herstellung, Robustheit, Sicherheit und schlanken Formen an. Mit einer Zellendicke von etwa einem Millimeter können Gerätekonstrukteure ihrer Phantasie für Form, Beschaffenheit und Grösse freien Lauf lassen.

Unglücklicherweise leidet das trockene Lithium Polymer unter schwacher Leitfähigkeit. Der innere Widerstand ist zu hoch, um die für moderne Kommunikationsgeräte nötigen Stromspitzen liefern zu können, was zu Problemen mit der Festplatte von mobilen Computern führt. Eine Erwärmung der Zellen auf 60°C und mehr verbessert die Leitfähigkeit; eine Anforderung, die für tragbare Applikationen nicht umsetzbar ist.

Als Kompromiss wurden einige Gel-Elektrolyte hinzugefügt. Die meisten kommerziellen Lithium-Polymer-Batterien, die heute für die mobile Telephonie verwendet werden, sind Hybridzellen und enthalten Gel-Elektrolyte. Die richtige Bezeichnung dafür ist Lithium-Ion-Polymer. Es ist dies die einzige, funktionierende Polymer-Batterie für tragbaren Einsatz.

Was ist denn der Unterschied zwischen der klassischen Lithium-Ion-Batterie und der Lithium-Ion-Polymer-Batterie mit den beigefügten Gel-Elektrolyten? Auch wenn die Charakteristik und Leistung der beiden Typen ähnlich sind, ist die Lithium-Ion-Polymer die einzige Batterie, wo ein fester Elektrolyt das poröse Trennelement ersetzt. Der Gelelektrolyt wurde nur beigefügt, um die Ionenleifähigkeit zu verbessern.

Lithium-Ion-Polymer hat sich nicht so schnell durchgesetzt, wie Analysten dies allgemein erwartet hatten. Die Überlegenheit gegenüber anderen Batterietypen und die tiefen Herstellungskosten konnten nicht realisiert werden. Es wurden keine Verbesserungen im Kapazitätsgewinn erzielt - tatsächlich sind die Kapazitäten ein klein wenig unterhalb derjenigen von Standard-Lithium-Ion-Batterien. Lithium-Ion-Polymer findet seinen Markt in Nischenanwendungen, wie ultradünne Geometrie, wie sie gebraucht wird für Kreditkarten und ähnlichen Applikationen.

Vorteile:

· Ausgesprochen dünn - Batterien, die in der Form einer Kreditkarte gleichen, sind herstellbar. · Flexibler Formfaktor - die Hersteller sind nicht mehr an die Standardzellen-Formate gebunden. Bei grossen Stückzahlen können beliebige Formen günstig hergestellt werden. · Leicht - die Gelelektrolyte gestatten vereinfachtes Verpacken ohne metallische Hülle. · Bessere Sicherheit - widerstandsfähiger gegen Überladung, kleineres Risiko gegen auslaufende Elektrolyte.

Grenzen:

· Kleinere Energiedichte und weniger Ladezyklen, verglichen mit Lithium-Ion · Aufwendige Herstellung · Keine Standardgrössen. Die meisten Zellen sind für einen Markt mit grossen Stückzahlen gebaut. · Höhere Kosten betreffend Energieverhältnis als Lithium-Ion.


Über den Autor Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt. Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.


© Copyright 2003 - 2005 Isidor Buchmann



Lithium- Eisen- Phosphat- Akkumulator


Der Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators.


Als Kathodenmaterial wird LiFePO4 verwendet.


Vorteile

LiFe-PO4-Zellen liefern sehr hohe Entladeströme. Eine Dauerlast von 35 grad C und eine Spitzenlast von 100 grad C sind möglich, bei einer Last von 35 grad C sind dabei noch 95 Prozent der Nennkapazität verfügbar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Li-Ionen-Zellen scheidet sich bei Überladung kein metallisches Lithium ab und es wird kein Sauerstoff freigesetzt, wie dies beim konventionellen Li-Ion-Akkus der Fall ist. Die Abscheidung und Sauerstoff führt bei älteren Typen von Li-Ionen-Akkumulatoren zum sogenannten thermischen Durchgehen, das unter ungünstigen Bedingungen sogar zur Explosion der Zelle führen kann.
Beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist dies nicht möglich.
Im Vergleich zu den konventionellen Kathodenmaterialien (LiCoO2) wird im Lithium-Eisen-Phosphat-Akku der gesamte Lithiumanteil verwendet. Bei Akkus mit LiCoO2-Kathode wird nur 50–60 % des Lithiums genutzt, da sonst die Schichtstruktur instabil würde. Bei Verwendung von Li2Mn2O4 Kathoden kann nur 50 % des vorhandenen Lithiums genutzt werden; der Rest ist fest im Kristall eingebaut.


Je nach Bauart ist eine schnelle Ladung auf 90 % der Gesamtkapazität innerhalb von fünf Minuten möglich. Beim „1 C Cycling“ ist seine Impedanz (ca. 15 mOhm für den Zelltyp 18650, das heißt mit 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge) selbst nach 4000 Zyklen quasi unverändert. Selbst bei vollständiger Entladung mit 10 C sind noch über 1000 Zyklen möglich. Diese Kenndaten hängen allerdings sehr von der verwendeten Anode und dem Elektrolyt ab.


Auch die Leistungsdichte (bis zu 3000 W/kg) liegt höher als beim Li-Ion-Akku. Für einen Akkumulator mit einem Energieinhalt von 1000 Wh werden beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akku nur ca.11,3 mol (≈ 80 Gramm) Lithium benötigt, gegenüber ca 20 mol bzw. 140 Gramm beim Lithium-Cobalt- oder Lithium-Mangan-Akkumulator (siehe Faraday-Konstante).


Nachteile
Die Energiedichte ist geringer als bei herkömmlichen Lithium-Ionen- und insbesondere als bei Lithium-Polymer-Akkus. Ein weiterer Unterschied, den man jedoch nicht direkt als Nachteil bezeichnen kann ist die niedrigere typische Zellenspannung von 3,2 V (3,7 V beim Lithium-Ionen-Akku).

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