 Lithium-Ionen-Akku
|
Der Lithium-Ionen-Akku - Aufzucht und Hege
|
|
Die ersten Lithium-Ionen-Akkus wurde 1991 von der Firma Sony herausgebracht.
Sie bestanden aus einer negativen Coke-Elektrode und ab 1997 aus einer Kohlenstoff-Graphit-Verbundelektrode, die während des Ladevorgangs die Lithium-Ionen
speichert. Die positive Elektrode bestand zuerst aus Kobalt und wurde später wegen einfacherer Handhabbarkeit in Bezug auf die Schutzelektronik durch
Spinell (Mangan) ersetzt.
Es gibt auch Kombinationen von LiCoO2 od. LiNiO2 od. LiMn2O4 als positive Elektrode und Carbon als negative Elektrode.
Zum Ionenaustausch zwischen positiver und negativer Elektrode wird ein organisches flüssiges Elektrolyt eingesetzt in dem ein Lithium-Salz gelöst ist und Li-Ionen bereitstellt.
Li-Ion-Akkuspacks sind grundsätzlich mit Schutz- und Ladeschaltungen versehen um einen optimalen und gefahrlosen Betrieb beim Laden und Entladen zu gewährleisten. Der Anwender hat daher keinerlei Einfluss auf Ladeschlussspannung, Entladeschlussspannung
usw. . Die Nennspannung liegen bei 3.6 Volt (Kobaltoxid) bzw. 3.7 Volt (Manganoxid). Die typische Lebensdauer von Li-Ion-Akkus liegt bei 300-500 Zyklen bzw. bei 2-3 Jahren, unabhängig von der Anzahl der Ladezyklen. Der Temperatureinsatzbereich liegt zwischen 5-30 Grad. Ein Erwärmen der Akkus durch die Umgebungstemperatur über 40 Grad bringt starke Kapazitätsverluste mit sich. Erwärmen über 60 Grad (z.B. aufgeheiztes Auto im Sommer) führt zu bleibenden Kapazitätsverlusten! Li-Ion-Akkus sind grundsätzlich nicht hochstromfähig. Je nach Hersteller liegt der max. Strom bei 2 - 3C. Es gibt aber spezielle hochstromfähige Zellen die problemlos 15 bis 20C liefern können. Die Energiedichte liegt bei ca. 200% im Vergleich zu NiCd-Akkus. Der Innenwiderstand liegt zwischen dem von NiCd- und NiMH-Akkus. Li-Ion-Akkus haben eine um 50% geringere Selbstentladung als NiCd-Akkus. Als ein Teil der natürlichen Alterung steigt der Innenwiderstand allmählich durch fortschreitende Zelloxydation und somit auch die Selbstentladung. Kapazitätsverluste bei Li-Ion-Akkus lassen sich nicht durch zyklisches Laden und Entladen regenerieren. Kapazitätsverluste sind endgültig, weil die Zelloxydation nicht rückgängig machbar ist. Um die Akkulebensdauer nicht unwiederbringlich zu verkürzen sollten Li-Ion-Zellen auf keinen Fall tiefer als 2.4 Volt bzw 2.5 Volt entladen werden. Beim Einsatz von Einzelzellen oder Zellen aus Akkupacks mit defekter Elektronik gibt es daher eine ganze Menge zu beachten, um eine optimale Leistungsausbeute zu erzielen und damit es nicht zur chemischen Zersetzung der Li-Ion-Zelle kommt: Laden:Li-Ion-Akkus weisen keinerlei Memory-Effekt auf und können in jedem Ladezustand geladen werden. Geladen wird mit einer Konstantstrom-/-spannungs-Methode. Begonnen wird mit einem Konstantstrom zwischen 1C bis 2C, wobei der maximale Ladestrom nicht überschritten werden darf, bis zum Erreichen der jeweiligen Ladeschlussspannung. Danach beginnt die Konstantspannungsphase (das sogenannte "Topping Charge"). Bei einem Ladestrom von 1C beträgt die Ladezeit bei Graphit-Zellen ca. 4 Stunden (Carbon-Zellen ca. 3 Stunden) wobei Graphit-Zellen schon nach 2 Stunden ca. 90% der Kapazität besitzen und die restlichen 2 Stunden für das Laden bis an die 1% Grenze benötigt werden ("Topping Charge"). Das Ladeende ist erreicht wenn der Strom auf 0.03C zurückgegangen ist. Die Ladeschlussspannung liegt bei 4.1 (Kobaltoxid) bzw. 4.2 Volt (Manganoxid) mit einer Toleranz von +/- 0.05 Volt (Angaben des Herstellers beachten!!).Wird die vorgegebene Ladeschlussspannung um 1% Überschritten (das sind ca. 4.14 Volt bzw. 4.24 Volt), so setzt sich Lithiummetall an der Anode ab, das in Verbindung mit dem Wasser aus dem Elektrolyt heftig reagiert, die Kathode wird zu einem Oxydationsmittel, gibt Sauerstoff ab, die Zelle erwärmt sich und der Druck in der Zelle steigt rapide. Eine Explosion der Zelle ist die Folge.  Bild 1: Ladekennlinie bei Carbon-Zellen  Bild 2: Ladekennlinie bei Graphit-Zellen Bei dem Ladevorgang erwärmt sich der Akku nicht oder nur leicht! Li-Ion-Akkus dürfen nicht einer Dauerladung (z.B. Bereitschaftsparallelbetrieb) ausgesetzt werden, da sich dadurch Lithiummetalle auf den Elektroden ablagern und die Zelle daduch instabil wird. Eine Nachladung ungenutzter Akkus sollte nach ca. 20 Tagen erfolgen bzw. wenn die Zellenspannung unter 4.05 Volt gesunken ist. Entladen:Die Entladeschlussspannung von Carbon-Zellen liegt bei 2.5 Volt wobei Graphit-Zellen nur bis 3 Volt entladen werden dürfen (je nach Herstellervorgaben). Bei längerer Lagerung ist eine Selbstentladung unterhalb der vorgegebenen Spannungsgrenze möglich. Eine Tiefentladung führt zum Verkupferungseffekt, welcher einen Zellen-Kurzschluss auslöst.Flach verlaufende Entladungen ergeben mehr Zyklen als Tiefentladungen!!  Bild 3: Entladekennlinie bei Carbon-Zellen  Bild 4: Entladekennlinie bei Graphit-Zellen Zum Vergleich:Lithium-Polymer-Akkus:- Preis/Leistung - haben ein kleinere Energiedichte - sind wesentlich teurer + geringeres Gewicht + dünne flexible Bauform irgendwelche Schäden auf Grund dieser Hinweise! Wichtigster Grundsatz im Umgang mit Li-Ion-Zellen: Grenzwerte und Vorgaben der Hersteller gemäß Datenblatt beachten! |
|
|
