Im Gegensatz zur Bleibatterie und der NiCd-Batterie, verhält sich das Lithiumsystem anders. Es weist neben einer deutlich höheren Energiedichte auch ein anderes chemisches Grundprinzip der Energiespeicherung auf.
Bei Lithium-Ionen Systemen stellt Lithium als Element oder Ion bzw. Atom nur die aktive Spezies dar. In den Elektroden werden die Lithiumatome jeweils als Gastatome in einem Wirtgitter gespeichert. Die Wirtmaterialien können dabei verschiedene Stoffe sein. Als positive Anode kommen z.B. LiMn2O4, LiCoO2 oder LiFePO4 in Frage. Bei der negativen Elektrode trifft man z.B. Lithium-Metall, Graphit oder auch Li-Si an.
Der Lithium-Ionen Akkumulator gilt als die Batterie der Zukunft. Er hat eine der höchsten Energiedichte unter den wieder aufladbaren Batterien welche serienmässig hergestellt werden. Lange Zeit war sein grosses Manko, dass er nicht grosse Stromstärken liefern konnte. Dies hat sich aber mehr und mehr verbessert. Dank der hohen Energiedichte eignet sich dieser Akku vor allem für mobile Geräte wie Notebooks, Mobil-Telefone, Elektrofahrräder und Wohnmobilen. Im Gegensatz zu den Nickel-Metallhydrid- oder Nickel-Kadmium Akkus sollten die Lithium-Ionen Akkumulatoren im geladenen Zustand (ca. 80% SOC) gelagert werden.
Die Entwicklung ist im vollen Gange. Deshalb gibt viele unterschiedliche Ansätze und Produkte im Bereich der Lithiumbatterie. Für die Elektroden wie auch für die Separatoren werden unterschiedliche Materialien eingesetzt was auch zu unterschiedlichen Eigenschaften führt.
Im Gegensatz zu Bleibatterien kann die gesamte Ladung [Ah], welche in die Batterie eingeladen wurde, auch wieder entnommen werden. Da ja das Laden bei einer höheren Spannung geschieht als das Entladen, ist der Wirkungsgrad trotzdem nicht 100%, aber bedeutend höher als bei einer Bleibatterie. Die unterschiedliche Spannung beim Laden und Entladen basiert auf dem Innenwiderstand der Batterie.
Bleibatterien verhungern (sulfatisieren), wenn sie nicht von Zeit zu Zeit voll geladen werden. Li-Ion-Batterien nehmen keinen Schaden wenn sie nicht voll geladen werden. Im Gegenteil. Wenn man die Lithiumbatterien nicht an die maximale Spannung lädt, leben diese länger.
ACHTUNG: Lithium-Ionen-Elemente haben eine hohe Energiedichte und Lithium reagiert sehr stark mit Feuchtigkeit. Unsachgemässes Laden und Entladen von Lithiumelementen kann je nach Batterietyp gefährlich sein. Überhöhte Wärmeentwicklung bis zu Brand kann die Folge sein.
Temperaturverhalten
Der optimale Temperaturbereich für Li-Ion-Batterien liegt zwischen 20°C und 40°C
Unter 20°C steigt der Innenwiderstand der Zellen überproportional an. Unter 0°C sollten die Li-Ion-Zellen nicht mehr oder nur noch mit geringem Ladestrom geladen werden. Es kann sich sonst reines Lithium an der Anode ablagern (Lithium-Plating). Im schlimmsten Fall können sich Lithium Dendtrite bilden, welche zu einem Kurzschluss der Zelle führen können
Über 40°C altern die Lithium-Ionen-Zellen überproportional schnell. Mann sogt grob, dass eine Erhöhung der Betriebstemperatur von 10 K die Lebensdauer der Batterie halbiert.
Je nach Einsatz wird ein Thermomanagement (Heizen und Kühlen) empfohlen.
Batteriemanagementsystem (BMS)
Li-Ion-Zellen sind komplett geschlossenen Zellen. Sie können beim Laden auch keine Ladung umwandeln (z.B. Trennung von Wasser bei Bleibatterie).
Wird nun eine voll geladene Zelle weiter Ladung zugeführt, steigt die Spannung an, bis der Separator in der Zelle zerstört ist.
Deshalb dürfen mehrere in Serie geschaltete Li-Ion-Zellen nur mit einem BMS betrieben werden.
Weitere Informationen zu Batteriemanagementsysteme finden Sie unter:
Batteriemanagementsystem
Die unterschiedliche Zellenchemie
Lithium-Polymer Akku
Als Separator wird eine Polymerschicht verwendet.
Lithiumpolymer Aufbau
Mit dem neuen Zellenaufbau lassen sich bei gleichem Energie-Innhalt kleinere und leichtere Zellen bauen. Der Li-Po Akku ist wohl der Akkumulator mit der grössten Energiedichte, welcher zur Zeit serienmässig auf dem Markt erhältlich ist. Leider ist der Preis noch verhältnismässig hoch. Deshalb werden diese Batterien nur eingesetzt, wenn das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt.
Ein weitere Vorteil der Lithium-Polymer Akkus ist, dass sich nahezu kein Memorieffekt mehr bemerkbar macht.
Li-Po-Akkus haben eine hohe Zellennennspannung von 3,7V. Die Ladeendspannung ist bei 4.2V. Diese sollte auf keinen Fall überschritten werden. Ein Überschreiten könnte zur Zerstörung der Zelle führen. Unterhalb der Ladeendspannung darf die Zelle nur mit einem Strom von 1C (1x die Kapazität) geladen werden.
Lithium Eisend Phosphat LiFePO4 (LFP)
Bild LiFePO4Lithiumeisenphosphat (Abgekürzt LFP) zeichnet sich durch sehr hohe thermische Stabilität aus. Es besitzt eine entnehmbare Kapazität von bis zu 160 mAh/g bei einer theoretischen Kapazität von 168mAh/g, wobei die mittlere Spannung 3,2V pro Zelle beträgt. Die Batterien findet man auch unter dem Namen Lithium-Phosphat-Batterien.
Mittlerweile sind die LiFePO4 auch preislich in einem akzeptablen Rahmen.
Mit 3000 Ladezyklen (bei 80% Entladung) haben sie eine 8 bis 10 mal höhere Lebensdauer als herkömmliche Zyklenbatterien mit Blei. Somit ist auch der höhere Preis gerechtfertigt.
Der Hersteller Winston Battery setzt für eine bessere Stabilität der Batterie auch das Selten Erden Element Yttrium ein und nennt die Batterie dann LiFeYPO4.
VorteileSnapshotLFP
: keine Sauerstoffentwicklung
: kein Lithiumüberschuss in der Kathode
: Überladen führt nicht zur Galvanisierung von Lithium
: niedrige Kathodenspannung – weniger elektrolytische Oxidation, längere Lebensdauer
: exzellente Schnellladefähigkeit
: hohe Stromfestigkeit ohne Kapazitätseinbuse
: hohe Zyklenzahl
: geringes Gewicht
: hohe Sicherheit
: Lange Lebensdauer
Besonders wegen des exzellenten Sicherheits- und Alterungsverhalten kann das System in Zellen mit hoher Kapazität für Anwendungsbereiche in der Traktion eingesetzt werden.
Diese Batterie überzeugt nicht nur wegen der grossen Energiedichte sondern auch wegen der hohen Zyklenzahl. Bei einer klassischen Bleibatterie (Zyklenbatterie) spricht man von 400 Zyklen bei voller Entnahme, bei einer OPz-Batterie von 1500 bei 80%. Bei Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien werden auch schon mal 3000 Zyklen genannt.
LiFePO4-ZellenBis anhin waren Lithium-Ionen Batterien nur für kleine Kapazitäten erhältlich. Mittlerweile sind LiFePO4-Module auch bis zu 480Ah erhältlich. Sollte dies nicht ausreichen oder eine andere Spannung notwendig sein, können auch grössere 3,2V-Zellen in Serie geschaltet werden. Mit 4 Zellen erhält man eine Batterie, welch sehr nahe an die 12V-Bleibatterie heran kommt.
Mit diesen LiFePO4-Zellen kann durch Serieschaltung auch eine andere Spannung erzeugt werden.
Klassische Grössen sind 24V mit 8 Zellen oder 48V mit 15 Zellen. Da bei der Serieschaltung der LiFePO4-Zellen höhere Spannungen entstehen als bei der Bleibatterie, kann bei 48V auf eine Zelle Verzichtet werden.
Im Gegensatz zu den Lithium-Polymer-Batterien gelten die LiFePO4-Batterien als weniger kritisch, was das Brandrisiko anbetrifft.
Wir gehen davon aus, dass die Bleibatterien in sehr vielen Anwendungen durch die LiFePO4-Batterien ersetzt werden.
Nachteile der LiFePO4
LiFePO4 sind empfindlicher auf unsachgemässe Behandlung und Überbelastungen. Die Zellen können unterschiedliche Ladungszustände nicht selber ausgleichen wie die Bleibatterien.
Die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien sind nicht viel gefährlicher als Bleibatterien, können aber bei unsachgemässem Einsatz viel schneller Schaden nehmen. Überladen, Tiefentladen, Kurzschluss, usw. führt in der Regel zu einer Beschädigung der Batterie. Gas und Staub kann bei Überhitzung oder Überladung austreten. Diese Gase und Staube sind äusserst Giftig und können auch Krebs verursachen
Deshalb wird unbedingt empfohlen, ein Batteriemanagementsystem oder zumindest eine Schutzschaltung (Protecting Board) zu verwenden. Die Anschlüsse sind von Zeit zu Zeit auf gute Verbindung zu kontrollieren, damit nicht keine Überhitzung der Pole entstehen kann.
Weiter ist ein interner Kurzschluss der Zelle nie ganz auszuschliessen. LiFePO4-Batterien sollten deshalb nur bei guter Belüftung eingesetzt werden.
Die LiFePO4 Batterien finde man auch unter der Bezeichnung LiFeYPO4 zu finden, weil ein Hersteller auch das Seltenerdemetall Yttrium einsetzt.
Li-Ion Camper Aufbaubatterien
Nahezu alle Camper haben ein Gewichtproblem und bei Überladung drohen Bussen und administrativer Aufwand. Deshalb sind die leichten Li-Ion-Batterien bei den Wohnmobilen schon lange ein Thema. Aus Sicherheitgründen werden hier vorwiegend LiFePO4 Zellen oder Batterien eingesetzt, Seitdem 12.8V Li-Ion Batterieblöcke mit integriertem Batteriemanagemensystem erhältlich sind, werden in Wohnmobilen nur noch sehr selten einzelne Zellen verbaut.
In vielen Fällen ist es unproblematisch, eine bestehende Bleibatterie durch eine Li-Ion-Batterie mit integriertem BMS zu ersetzen. Es gibt ein paar wenige Punkte, welche beachtet werden müssen:
Die Ladeendspannung sollte auf allen landenden Geräte wie Solarladeregler, Batterieladegerät oder Multifunktionaler Wechselrichter und Ladewandler auf max. 14,4V (28,8V bei einer 24V-Batterie) reduziert werden können.
Das Laden ab Starterbatterie während der Fahrt sollte genauer betrachtet werden. Wenn ein spannungsgesteuertes Trennrelais verbaut ist, empfehlen wir, dies durch einen Ladewandler zu ersetzen. Wegen der höheren Ruhespannung der Li-Ion Batterie schaltet das Trennrelais erst wieder aus, wenn die Li-Ion-Batterie etliche Ladung verloren hat.
Weil das Laden von LiFePO4-Batterien unter 0°C problematisch sein kann, sollten allenfalls Li-Ion Batterien mit Heizung eingebaut werden oder das Laden der Batterie sollte be tiefen Temperaturen unterbunden werden. Li-Ion-Batterien mit Heizung haben Zusatznamen wir Arctic oder Polar. Damit die Batterie nicht unnötig belasted wird, schaltet die Heizung nur zu, wenn die Temperatur unter 0°C ist und die Batterie geladen wird.
Typische Anwendung der LiFePO4 (LFP)
– Elektrofahrzeuge wie E-Bikes, Elektrotransporter, Elektroboote, usw
– Energiekofferoder anderen Energieboxen (Powerstations)
– Powertools
– Wohnmobilen und Caravans
LiFeMnPO4
Bild_LiFeMnPO4Die Li-Ion-Batterie LiFeMnPO4 hat ähnliche Eigenschaften wie die LiFePO4. Die Nennspannung ist auch 3,2V.
Die Ladeendspannung wird mit 3,65V angegeben.
Der grosse Vorteil dieser Batterie ist die höhere Energiedichte. So hat beispielsweise die 100Ah LiFeMnPO4 eine Energiedichte von 114Wh/kg, die 100Ah LiFePO4 nur 91Wh/kg.
Als Nachteil kann jedoch die kürzere Lebensdauer angesehen werden. Werden bei LiFePO4 3000 Zyklen (80% Entladung) angegeben, so sind es bei der LiFeMnPO4 nur 1500 Zyklen.
Überall dort, wo das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, die Lebensdauer aber untergeordnet ist, kann diese Batterie eingesetzt werden,
z.B. in Elektroboote oder Elektrofahrzeugen, welche nur am Wochenende gebraucht werden.
Bei Elektrofahrzeugen im täglichen Gebraucht ist die LiFePO4 vorzuziehen.
LiMn2O4 (LMO)
SnapshotLMODie Lithium-Mangan-Batterien sind eine Alternative zu den Bleibatterien, wenn das Gewicht eine Rolle spielt aber der Preis für die LiFePO4 zu hoch ist. Die Energiedichte ist mit den LiFePO4 vergleichbar. Weiter haben die LiMn2O4 mit 800 Ladezyklen (bei 80% Entladung) eine rund doppelte Lebensdauer im Zyklenbetrieb, als zyklenfeste Bleibatterien.
Die Nennspannung der Zellen wird mit 3.7V angegeben.
Preislich kann so etwa mit Faktor 3 zur Bleibatterie gerechnet werden. Die LiMn2O4 findet man oft als e-Bike-Batterie. Beim durchschnittlichen Gebrauch reichen die 800 Ladezyklen bei einem Pedelec über eine lange Zeit
Interessanter Weise stellen jedoch viele Hersteller von LiMn2O4 auf LiFePO4 um.
Typische Anwendung der LiMn2O4 (LMO)
– Power Tools
– E-Bike Batterien
– Elektrofahrzeuge
LiNiMnCoO2 (NMC)
SpiderwebNMCVereinzelt werden auch Batterien mit der Bezeichnung LiNiCoMnO2 angeboten. Oftmals werden diese Li-Ion-Batterien auch nur LiNiCoMn oder Nickel-Mangan-Cobalt genannt. Die Eigenschaften sind vergleichbar mit den LiMn2O4, wobei die Energiedichte doch etwas höher ist. Wenn die Sicherheit und die Lebensdauer auch noch erhöht werden können, haben diese Zellen grosse Chancen im Elektromobil-Markt. Die Zyklenzahl wird auch mit 800 angegeben. Sie sind jedoch leicht günstiger.
Typische Anwendung der NMC-Batterie
– E-Bike Batterie
– Elektro-Autos
(Quellenangabe: Spinnenweben und einige Inhalte zu den Li-Ion-Batterien kamen von http://batteryuniversity.com/learn/article/explaining_lithium_ion_chemistries )
Lithium Titanate Oxid Li2TiO3 (LTO)
Die Li-Ion-Zellen aus Lithium Titanate Oxid (LTO) zeichnen sich aus durch eine enorm hohe Zyklenzahl (>25’000 bei 80% Entladung) und hohem Lade- und Entladenstrom (6C) aus.
Die Nennspannung ist jedoch mit 2,3V relativ gering undsomit ist auch die Energiedichte eher bescheiden.
Typische Anwendung der LTO
– Solarstromspeicher
– Speicher zur Stützung von Bahnnetzen (z.B. Strassenbahn)
Weitere Informationen über das Laden von Batterien finden Sie auch unter: https://www.hoeisi.ch/batterieladen.htm