Lithium-Ionen (Li-Ion)-Akkus

Lithium-Ionen Akkupacks sind die bevorzugte Stromversorgung für tragbare Geräte, da sie klein und leicht sind. Li-Ion Akkupacks haben keinen „Memory Effect“ (auch bekannt als Spannungsabsenkung wie es bei älteren Akkus mit anderen Chemien oft vorkommt). Li-Ion Akkupacks haben auf Grund der höheren Energiedichte wie Nickel-basierte Akkupacks und einer geringeren Selbstentladungsrate das Design von tragbaren Geräten revolutioniert, welches zuvor hinsichtlich Größe, Gewicht und Betriebszeit der Stromversorgung eingeschränkt war.

Wegen der volatileren Eigenschaften von Lithium- im Vergleich zu Nickel-Akkupacks und der großen Energiedichte wird jedes Lithium Akkupack von der Entwicklungsphase bis zur Massenproduktion unter besonderer Berücksichtungung der Sicherheit konstruiert.

Lithium-Ionen ist eine wartungsarme Batterie, welches ein Vorteil ist, den die meisten anderen Zellzusammensetzungen nicht vorweisen können. Es gibt keinen Memory-Effekt und der Akku benötigt kein regelmäßiges Entladen/Laden zur Erhaltung der Lebensdauer. Außerdem ist die Selbstentladung weniger als die Hälfte verglichen mit Nickel-Cadmium und darum ist Lithium-Ionen sehr geeignet für moderne Anwendungen mit Ladestandsanzeige. Lithium-Ionen Zellen sind bei der Entsorgung vergleichsweise umweltfreundlich.

Trotz der vielen Vorteile haben Lithium-Ionen Zellen auch ihre Mankos. Sie sind zerbrechlich und erfordern eine Sicherheitsschaltung, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die Sicherheitsschaltung wird in jeden Akkupack eingebaut und limitiert die Spannungsspitze jeder einzelnen Zelle während der Ladephase und verhindert einen zu tiefen Abfall der Zellspannung während der Entladephase. Außerdem wird die Zelltemperatur überwacht, um extreme Temperaturen zu vermeiden. Die maximale Lade- und Entladestrom ist bei den meisten Packs auf zwischen 1C und 2C limitiert. Mit diesen Sicherheitsvorkehrungen wird die Wahrscheinlichkeit dass ein metallischer Lithiumüberzug wegen Überladung auftritt, praktisch ausgeschlossen.

Die Alterung ist bei den meisten Lithium-Ionen Batterien ein Problem. Nach etwa einem Jahr macht sich etwas Kapazitätsverlust bemerkbar, egal ob die Batterie genutzt wird oder nicht. Der Akku fällt nach zwei oder drei Jahren oft aus. Es sollte aber auch erwähnt werden, dass andere chemische Zusammensetzungen ebenfalls alterungsbedingte degenerative Effekte aufweisen. Das trifft besonders auf Nickel-Metall-Hydrid zu, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Es gibt aber auch Lithium-Ionen Akkupacks, die fünf Jahre lang in einigen Anwendungen gelaufen sind.

Hersteller verbessern Lithiumion kontinuierlich. Neue und verbesserte chemische Kombinationen werden etwa im Halbjahrestakt vorgestellt. Mit solch einem rapiden technologischen Fortschritt ist es schwierig, die Alterung der neuen Batterien vorauszusagen.

Kühle Lagerung in verzögert den Alterungsprozess von Lithiumion (und auch anderen Chemien). Hersteller empfehlen eine Lagertemperatur von 15°C (59°F). Zusätzlich sollte der Akku teilweise geladen gelagert werden. Hersteller empfehlen 40% aufgeladen.

Die effizienteste Lithium-Ion Zelle hinsichtlich Kosten und Engergiebereitstellung ist die zylindrische 18650 (18 ist der Durchmesser und 650 die Länge in mm). Diese Zelle wird für mobile EDV und andere Anwendungen, die nicht extrem flache Abmessungen benötigen, verwendet. Wenn ein flacher Akkupack gefordert wird, ist eine prismatische Lithium-Ionen Zelle die beste Wahl, die allerdings etwas teurer sind.

Vorteile von Lithium-Ion Akkus

Hohe Energiedichte – mehr Potential für höhere Kapazität.
Braucht keine lange Anlaufzeit im Neuzustand. Einmaliges, reguläres Aufladen, mehr wird nicht benötigt.
Relativ niedrige Selbstentladung. Die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte von Nickel-basierten Batterien.
Geringe Wartung – periodische Entladung ist nicht nötig; es gibt keinen Speicher.
Spezielle Zellen können sehr hohen Strom für Anwendungen wie z.B. elektrisches Werkzeug zur Verfügung stellen.

Einschränkungen bei Lithium-Ion Akkus

Eine Schutzschaltung wird benötigt, um Spannung und Strom innerhalb eines sicheren Bereiches zu halten.
Alterungsprozesse treten ein, auch wenn nicht in Gebrauch – Lagerung in kühler Umgebung mit 40%iger Aufladung reduziert den Alterungseffekt.
Einschränkungen beim Transport – Großvolumige Lieferungen können Sicherheitskontrollen unterliegen. Dies gilt nicht für den Transport im persönlichem Gepäck (siehe letzter Abschnitt).
Kostenintensive Fertigung.
Noch nicht komplett ausgereift – Metalle und Chemikalien ändern sich kontinuierlich.

Einschränkungen beim Transport von Lithium-Ion Akkus

Jeder, der Lithium-Ion Akkus als Bulkware verschickt, ist verantwortlich dafür die Transportbestimmungen zu erfüllen. Dies gilt für inländische und internationale Lieferungen via Land, See und Luft. Lithium-Ion Zellen, deren entsprechender Lithium Anteil 1.5 Gramm oder 8 Gramm pro Akkupack übersteigt, müssen als „Klasse 9 - Verschiedene gefährliche Stoffe“ deklariert werden. Die Zellkapazität und die Anzahl der Zellen im Pack bestimmen den Lithium Anteil. Ausnahmen gibt es für Akkupacks, die weniger als 8 Gramm Lithiumanteil vorweisen. Wenn allerdings eine Lieferung mehr als 24 Lithium Zellen oder 12 Lithium-Ion Akkupacks enthält, wird eine besondere Kennzeichnung und spezielle Lieferdokumente gefordert. Jede Verpackung muss kenntlich gemacht werden, dass sie Lithium Batterien enthält. Alle Lithium-Ion Batterien müssen entsprechend den UN 3090 Anforderungen getestet werden, unabhängig vom Lithium Anteil (UN Handbuch der Prüfungen und Kriterien, Teil III, Unterabschnit 38.3). Diese Sicherheitsvorkehrung gewährleistet, dass keine fehlerhaften Batterien transportiert werden. Zellen und Batterien müssen getrennt werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden und sie müssen in stabile Kartons verpackt werden.

Anwendungen für Lithium-Ionen Akkupacks

Tragbare medizinische Geräte:

Infusionspumpen
Tragbare Röntgenapparate
Atemgeräte
Defibrilatoren
Chirurgische Instrumente
Patientenüberwachungsgeräte
Motorisierte Betten und Wagen
Muskelstimulatoren

Tragbare elektronische Geräte

Tragbare Drucker
Messgeräte
Datenspeichergeräte
Gasdetektoren
Digitale Aufzeichnungsgeräte

Schutz und Sicherheit

Nachtsichtgeräte
Überwachungsanlagen
Wärmebildgeräte
Tragbare Gasdetektoren
Personen-Notsignal-Geräte

Militär

Robuste tragbare Kommunikationsgeräte
Robuste Computer
Elektrische Werkzeuge
Messgeräte und Laser
Konstruktions-/Montagegeräte

IT

Handy
Mobile elektronische Geräte
Mobile industrielle Computer