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Die leistungsf\u00e4higsten Akkus sind Lithium-Akkus. Sie weisen bei kleinster Bauweise die h\u00f6chste Energiedichte auf. Gerade wegen der hohen Energiedichte der Lithium-Zellen sind diese besonders gut f\u00fcr mobile Ger\u00e4te geeignet. In Wearables, Smartphones, Tablets, Digitalkameras und Notebooks sind Lithium-Akkus weit verbreitet.
\nAllerdings sind Lithium-Akkus teuer und reagieren wesentlich empfindlicher auf falsche Behandlung als andere Akkus. Au\u00dferdem sind sie absolut giftig f\u00fcr die Umwelt. Daf\u00fcr bieten sie ein hohes Ma\u00df an Komfort. Sie bleiben mit Kapazit\u00e4tsverlust etwa 5 Jahre funktionst\u00fcchtig.<\/p>\n
Die Nennspannung der Lithium-Zellen ist abh\u00e4ngig vom Elektrodenmaterial und liegt bei 3,6 oder 3,7 V. Wegen der h\u00f6heren Spannung eignen sie sich nicht als Ersatz f\u00fcr Akkus (1,2 V) und Batterien (1,5 V) in AA- oder AAA-Bauweise.<\/p>\n
Der Markt f\u00fcr akkubetriebene Kleinstger\u00e4te zeigt einen Trend zur Miniaturisierung. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf solcher Systeme. Deshalb wird an noch leistungsf\u00e4higeren Akkus geforscht, wobei es hier nur kleine Entwicklungsschritte gibt.<\/p>\n
Hinweis: Das Basteln mit Lithium-Zellen ist nichts f\u00fcr Anf\u00e4nger und Elektronik-Einsteiger. Die Gefahr vor Explosionen durch falsche oder fehlerhafte Ladeschaltungen ist viel zu gro\u00df.
\nWeil Lithium-Akkus empfindlich auf \u00dcberladung und Tiefentladung reagieren, ist eine Elektronik in den Akku-Pack eingebaut, die sie vor zu hoher und zu tiefer Ladung sch\u00fctzen.<\/p>\n
![\"Aufbau](\"https:\/\/www.elektronik-kompendium.de\/sites\/bau\/bilder\/08102811.gif\")
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Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer Grafit-Elektrode (negativ) und einer Lithium-Metalloxyd-Elektrode (positiv). Das Lithium-Metalloxyd kann variable Anteile an Nickel, Mangan und Kobalt (z. B. Li(NixCoyMnz)O2) haben. Diese NMC-Materialien haben eine hohe Energiedichte und sind bei kleinen Ger\u00e4ten erste Wahl. Auch wenn sie teurer und potentiell unsicherer sind. Die genaue Zusammensetzung hat Einfluss auf die Eigenschaften des Lithium-Ionen-Akkus und ist je nach Hersteller und G\u00fcteklasse unterschiedlich. Deshalb sind exakte Aussage zu Kapazit\u00e4t und Lebensdauer nicht m\u00f6glich.<\/p>\n
Die Ladungstr\u00e4ger sind die Lithium-Ionen. Sie haben eine geringe Gr\u00f6\u00dfe und eine hohe Beweglichkeit. Sie lagern sich beim Laden der Zelle zwischen den Molek\u00fclschichten des Grafits ab. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zur\u00fcck zur Lithium-Metalloxyd-Elektrode.<\/p>\n
Lithium ist das leichteste Metall und reagiert heftig mit Wasser. Deshalb kommt als Elektrolyt ein wasserfreies, aber brennbares L\u00f6sungsmittel zum Einsatz. Das L\u00f6sungsmittel ist der Grund, warum es gelegentlich Meldungen von explodierenden oder brennenden Lithium-Akkus gibt. Hierbei hat sich das Elektrolyt entz\u00fcndet. Die genaueren Gr\u00fcnde sind vielf\u00e4ltig. In der Regel kommt es zu Akku-R\u00fcckrufaktionen, wenn fehlerhafte Lithium-Akkus festgestellt werden.
\nDie Elektroden werden durch einen Separator getrennt, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern. Der Separator ist f\u00fcr die Lithium-Ionen durchl\u00e4ssig. Die Kathode wirkt wie ein Schwamm. Sie kann so eine gro\u00dfe Zahl von Ionen aufnehmen. So entsteht eine Energiedichte von 180 Wh\/kg und mehr.<\/p>\n
Das Laden erfolgt mittels des I\/U-Ladeverfahrens, bei dem der Akku erst mit Konstantstrom und dann mit Konstantspannung aufgeladen wird. Dabei wandern die Lithium-Ionen ins Grafit und Sammeln sich zwischen den Molek\u00fclebenen. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zur\u00fcck zur Lithium-Metalloxyd-Elektrode.<\/p>\n
Die Ladeschlussspannung liegt bei 4,1 bzw. 4,2 Volt und muss auf 50 Millivolt genau eingehalten werden. Sonst wird die Zelle zerst\u00f6rt. Die unterste Spannungsgrenze liegt bei 2,5 Volt. Darunter wird die Zelle besch\u00e4digt.
\nUm Sch\u00e4den an den Zellen zu verhindern, hat jeder Akkupack eine eigene Lade- und Schutzelektronik. Sie \u00fcberwacht beim Laden und Entladen die Einhaltung der Grenzwerte. Sie ist an die Lithium-Zellen angepasst.
\nJe nach Qualit\u00e4t des Lithium-Ionen-Akkus verkraftet er nur wenige hundert Ladezyklen, bis die Speicherf\u00e4higkeit deutlich nachl\u00e4sst. Regelm\u00e4\u00dfiges Aufladen eines halbvollen Akkus wirkt sich nicht auf die Gesamtkapazit\u00e4t aus.<\/p>\n
Um den Akku zu schonen, sollte man ihn m\u00f6glichst nicht \u00fcber 90 Prozent laden oder auf weniger als 10 Prozent entladen. Einige Notebooks bieten dazu eine Einstellm\u00f6glichkeit an. Allerdings l\u00e4sst sich nicht genau absch\u00e4tzen, wie lange dann der Akku h\u00e4lt. Vielleicht kann man ihn ein Jahr l\u00e4nger nutzen.<\/p>\n
Die Alterung der Lithium-Ionen-Akkus wird durch die Zell-Oxidation hervorgerufen. Dabei oxidieren die Elektroden. Diese verlieren die F\u00e4higkeit Lithium-Ionen zu speichern, die f\u00fcr den Stromfluss notwendig sind. Die Zell-Oxidation wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Zum Beispiel durch die Temperatur und dem Ladezustand des Akkus. Bei hoher Temperatur und vollem Akku entwickelt sich die Zell-Oxidation besonders schnell. Dieser Zustand kommt z. B. bei Notebooks h\u00e4ufig vor, wenn der Akku vollst\u00e4ndig geladen ist und gleichzeitig das Ger\u00e4t in Betrieb ist und warm wird. Die W\u00e4rme \u00fcbertr\u00e4gt sich auf den Akku.<\/p>\n
Wenn man einen Lithium-Ionen-Akku lagern m\u00f6chte, dann sollte man ihn zur H\u00e4lfte aufladen. Der optimale Ladezustand liegt zwischen 50% und 80%. Die Lagerung erfolgt bei Zimmertemperatur, besser im K\u00fchlschrank vor Feuchtigkeit gesch\u00fctzt (nicht K\u00fchlfach). Erst kurz bevor man ihn wieder einsetzen will, l\u00e4dt man ihn bei Zimmertemperatur vollst\u00e4ndig auf.<\/p>\n
Muss ein Lithium-Ionen-Akku l\u00e4ngere Zeit gelagert werden, muss regelm\u00e4\u00dfig der Ladezustand kontrolliert werden. Die Selbstentladung von 1% pro Monat ist \u00e4u\u00dferst gering, allerdings stark temperaturabh\u00e4ngig. Lithium-Ionen-Akkus sollten alle 3 bis 4 Monate nachgeladen werden, um die Tiefentladung zu vermeiden. Erreicht eine Zelle eine Spannung unter 2 Volt kann sich die Zelle zerst\u00f6ren.<\/p>\n
Beim Erwerb von Lithium-Ionen-Akkus muss immer damit gerechnet werden, dass Akkus vorzeitig den Geist aufgeben. Vor allem bei Akkus die aus Fernost kommen oder l\u00e4nger unterwegs gewesen sind. Das gilt genauso f\u00fcr Ersatzakkus, die evt. eine l\u00e4ngere Lagerung hinter sich haben. Ist ein Akku doch kaputt, dann kann ein Reparatur in Frage kommen. Wenn nicht, dann sollte der Akku beim H\u00e4ndler oder im Sonderm\u00fcll entsorgt werden.<\/p>\n
Chemische \u00c4nderungen des Elektrolyten und der Oxidation der Elektroden sind die Hauptursache f\u00fcr die Alterung. Das Lithium-Ionen-Akkus nach 2 bis 3 Jahren an Kapazit\u00e4t verlieren ist nur eine Faustregel. Ob ein Lithium-Akku nur 1 oder vielleicht doch 5 Jahre h\u00e4lt, h\u00e4ngt von der Verarbeitung, dem Gebrauch und der Betriebstemperatur ab. Ein pfleglicher Umgang belohnt ein Lithium-Akku mit einer l\u00e4ngeren Lebensdauer.<\/p>\n
Allerdings ist das st\u00e4ndige Beachten dieser Tipps sehr umst\u00e4ndlich. Bez\u00fcglich der Ladung k\u00f6nnen manche Betriebssystem entsprechend eingestellt werden. Da sich elektronische Ger\u00e4te w\u00e4hrend des Betriebs stark erw\u00e4rmen, hat man als Anwender darauf weniger Einfluss.
\nTrotzdem gilt, wenn man einen Akku entsprechend pfleglich behandelt, dann l\u00e4sst sich die Lebensdauer von vielleicht 3 auf 4 Jahre verl\u00e4ngern.<\/p>\n
Lithium-Akkus haben im Vergleich zu anderen Akkus die h\u00f6chste Energiedichte. Sie speichern fast doppelt so viel Energie wie NiMH-Akkus, die gleich gro\u00df und gleich schwer sind.
\nDie Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus wird haupts\u00e4chlich durch das Kathodenmaterial bestimmt. \u00dcblich ist Kobaltoxid mit einer Energiedichte von bis zu 180 Wh\/kg. Mit Lithiumkobaltnickel (LiNiCo) erreicht man sogar bis 240 Wh\/kg. Die Tendenz geht eher in Richtung geringerer Energiedichte bis 170 Wh\/kg. Daf\u00fcr vertragen die Akkus deutlich mehr als 500 Ladezyklen und haben somit eine l\u00e4ngere Lebensdauer.<\/p>\n
Lithium-Polymer-Akkus sind eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus. Sie enthalten keine fl\u00fcssigen Chemikalien, sondern nur feste oder gelartige Bestandteile. Sie sind somit auslaufsicher und man kann auf ein sch\u00fctzendes Metallgeh\u00e4use verzichten. Es ergeben sich dadurch noch mehr Bauformen, bei denen Zellen mit 1 Millimeter Dicke m\u00f6glich sind. So lassen sich zum Beispiel Hohlr\u00e4ume in tragbaren Ger\u00e4ten optimal ausnutzen. Etwa bei Wearables und besonders flache Smartphones.<\/p>\n
Lithium-Luft-Akkus k\u00f6nnen zwischen 10 bis 20 mal mehr Energie (11 kWh\/kg) speichern als gleich schwere Lithium-Ionen-Akkus.
\nIn Lithium-Luft-Akkus reagiert Luftsauerstoff in wenigen Nanometer gro\u00dfen Poren einer mesopor\u00f6sen Kohlenstoff-Elektrode mit Li+ zu Lithiumperoxid Li2O2. Die Gegenelektrode besteht aus elementarem Lithium. Als Elektrolyt dient Ether, z. B. Tetrahydrofuran, in dem sich die Lithium-Ionen l\u00f6sen k\u00f6nnen.
\nAllerdings korrodiert die Kohlenstoffelektrode nach wenigen Ladezyklen. Au\u00dferdem zersetzt sich die Elektrolytfl\u00fcssigkeit sehr schnell. Damit ist der praktische Einsatz begrenzt.<\/p>\n
In den vergangenen Jahren f\u00fchrte die Entwicklung zu Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus, die immer mehr Energie speichern k\u00f6nnen. Diese Energiedichte reicht f\u00fcr die Anforderungen kleiner Mobilger\u00e4te aber bei weitem nicht aus.
\nAls Alternative wurde an Brennstoffzellen mit Methanol als Brennstoff (DMFC) geforscht. Leider kommen die Prototypen \u00fcber den Entwicklungsstatus nicht hinaus. Scheinbar begn\u00fcgen sich die Hersteller auf die Entwicklung station\u00e4rer unterbrechungsfreier Stromversorgungen (USV).
\nVerbesserungen an den bew\u00e4hrten Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus gibt es also genug. Besonders die Nanotechnologie (Arbeit mit kleinen Teilchen) gibt neue Impulse.
\nDie vergangenen Erfolge in der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus deuten darauf hin, dass es m\u00f6glich wird, 500 Kilometer mit Hybridfahrzeugen zu fahren, bevor man wieder auftanken m\u00fcsse. Dann ben\u00f6tigt man keine Brennstoffzellen mehr.<\/p>\n