Lithium-Ionen-Akkus (LiIon) zeichnen sich durch ihre hohe Energiedichte aus, die mit mehreren 1.000 W/kg höher ist als bei allen anderen Akkumulatoren. Darüber hinaus ist der LiIon-Akku thermisch stabil, hat eine konstante Ausgangsspannung über den gesamten Entladezeitraum, eine lange Lebensdauer und kennt keinen Memory Effekt. Bedingt dadurch, dass Lithium in der elektrochemischen Spannungsreihe ein hohes negatives Potential von -3,05 V hat, ist die Potentialdifferenz mit anderen Materialien sehr hoch. In Verbindung mit Kupfer (0,16 V) ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 3,21 V. Die Nennspannung von Lithium-Ionen-Akkus liegt um die 3 V, bzw. die EMK, beträgt 3,6 V, die Entladeschlussspannung 3 V und der Ladestrom 1C.

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Wichtige Kennwerte von Lithium-Zellen

Kenndaten von verschiedenen Lithiumion-Akkus

Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Anode aus einer Kupferfolie, die mit Kohle oder einer Graphitverbindung beschichtet ist. Die positive Kathode besteht aus einer Lithiumverbindung, bestehend aus Kobalt-, Mangan- oder Nickel-Oxyd. Der zwischen den Elektroden liegende Elektrolyt ist ein gelöstes Lithiumsalz. Je nachdem, ob der Elektrolyt flüssig oder fest ist, spricht man von Lithium-Ionen-Akkus oder Lithium-Polymer-Akkus. Die verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich hauptsächlich im Kathodenwerkstoff, der Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt, Nickel-Kobalt-Mangan (NKM), Eisenphosphat oder Titanat sein kann. Die verschiedenen Kathodenwerkstoffe bewirken unterschiedliche Energiedichten, Leistungsdichten, Nennspannungen und Ladezyklen. Bei Kobalt reichen die Werte für die Energiedichte bis zu 190 Wh/kg, bei Mangan bis 120 Wh/kg und bei Nickel-Kobalt-Mangan (NKM) bis 130 Wh/kg. Die Leistungsdichte liegt bei Hochenergie-Versionen zwischen 200 Wh/kg und 400 Wh/kg, bei Hochleistungsversionen zwischen 2 kW/kg und 4 kW/kg. Die Anzahl der Entlade- und Ladezyklen liegt bei etwa 1.500.

Ladung und Lebensdauer

Geladen werden LiIon-Akkus ab der Tiefentladeschwelle nach dem IU-Ladeverfahren mit konstantem Strom, und zwar bis zum Erreichen der Nennspannung. Danach werden sie mit einer konstanten Spannung weitergeladen. Liegt der Ladezustand unterhalb der Tiefentladeschwelle, dann wird der tiefentladene Akku vorbereitet, indem er mit geringer Stromstärke bis zum Erreichen der Mindestspannung geladen wird. Der Ladefaktor liegt bei diesem Akkutyp bei ca. 1,4.

Entladezeiten von LiIon- und NiMH-Akkus bei konstantem Entladestrom

Lithium-Ionen-Akkus haben eine Lebensdauer von ca. zwanzigtausend Ladezyklen und werden als leistungsfähige Energiequellen in Handhelds, Palmtops, Notebooks und Handys eingesetzt. Durch den Einsatz der Nanotechnik durchlaufen Li-Ionen-Akkus eine rasante Entwicklung mit verbesserten Leistungswerten und höherer Lebensdauer. Die kommenden Akku-Generationen werden Nano-Phosphat-Akkus sein.

Kennzeichnung von Lithium-Zellen

Kennzeichnung von Lithium-Ionen-Akkus

Für die Kennzeichnung der Akkus gibt es ein von japanischen Firmen eingeführtes Bezeichnungssystem, das aus einer drei Buchstaben und einer fünfstelligen Ziffer besteht. Der erste Buchstabe steht für Lithium (I, der zweite für Kobalt (C), Mangan (M) oder Eisenphosphat (F), und der dritte für recharchable (R). Die folgenden Ziffern gelten für Rundzellen und geben den Durchmesser und die Höhe in Millimeter an. Dementsprechend gibt es vielfältige Technik- und Größenversionen mit Durchmessern zwischen 10 mm, über 14 mm, 17 mm und 18 mm und Längen zwischen 33 mm bis 65 mm. So besagt das Beispiel für den zylindrischen Zelltyp IMR18650, dass es sich um eine wiederaufladbare Lithium-Mangandioxid-Batterie mit einem Durchmesser von 18 mm hat und eine Höhe von 65 mm handelt.