Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus mehreren Einzelzellen. Dank ihrer speziellen Struktur und der verwendeten Materialien bieten sie eine hohe Leistung und ihre Kapazität bleibt über lange Betriebszeiten konstant. Sie können jederzeit teilgeladen werden und eignen sich daher für den Mehrschichtbetrieb. Erfahren Sie in unserem Ratgeber, wie Lithium-Ionen-Akkus hergestellt werden, welche Metalle sie enthalten und wie sie funktionieren.

Klein, aber oho: Komponenten von Lithiumbatterien

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus vielen einzelnen Zellen, die folgende Eigenschaften aufweisen: immer die gleiche Struktur und enthalten folgende Komponenten:

• Positive Elektrode : Die Kathode einer Lithiumbatterie besteht aus Lithiummetalloxid, das unterschiedliche Mengen an Nickel, Mangan und Kobalt enthalten kann. Metalloxide werden auch als Übergangsmetalle bezeichnet.
• Negative Elektrode : Die Anode besteht üblicherweise aus Graphit.
• Elektrolyt : so dass Lithiumionen bewegen sich als Ladungsträger. Die Zelle enthält außerdem einen wasserfreien Elektrolyten. Hier werden Salze wie Lithiumhexafluorophosphat in einem aprotischen Lösungsmittel wie Diethylcarbonat gelöst. In Lithium-Polymer-Batterien wird an dieser Stelle ein Polyvinylidenfluorid-Polymer oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen verwendet.
• Separator : Um Kurzschlüsse zu vermeiden, wird zwischen den Elektroden ein Separator aus Vliesstoffen oder Polymerfolien installiert. Der Separator ist für Lithiumionen durchlässig und kann diese in großen Mengen absorbieren.

Der Separator: Sicherer Betrieb von Lithiumbatterien

Der in Lithium-Ionen-Batterien integrierte Separator steuert und gewährleistet die elektrochemischen Reaktionen in den Batterien. Zum einen trennt er die beiden Elektroden voneinander. Um interne Kurzschlüsse zu verhindern , sorgt die durchlässige Konstruktion dafür, dass nur Lithiumionen hindurchtreten und sich somit zwischen den negativen und positiven Elektroden bewegen können. Ebenso gewährleistet der Separator die Gasaustausch in den geschlossenen Zellen dieser Batterien.

Um dies zu erreichen, muss die Komponente aus mikroporösen Membranen bestehen, deren Eigenschaften je nach Leistung und Größe der Batterie variieren können. Hierfür werden Polymerfolien (wie bei Lithium-Polymer-Batterien) oder hitzebeständige Keramikseparatoren verwendet. Die Kombination von Vliesstoffen mit einer Keramikbeschichtung macht die Separatoren besonders flexibel und gleichzeitig temperaturbeständig bis zu 700 °C.

Batteriemanagementsystem: Funktionsoptimierung

Werden mehrere Zellen zu einem Modul zusammengefasst, enthält dieses üblicherweise ein integriertes Steuerungssystem. Die wichtigste elektrische Komponente ist die Das Batteriemanagementsystem (BMS) besteht aus mehreren Komponenten: dem OBS ( One Board Sense ) und der SCU ( Stack Control Unit ), die sich im Modul befinden, sowie der BCU ( Battery Control Unit ), die alle Informationen der einzelnen Module zusammenführt. Zusammen fungiert das BMS als Schnittstelle zwischen Gerät und Batterie. Es optimiert Batteriekapazität, Leistung und Performance und verhindert Tiefentladung, selbst bei niedrigen Ladeständen. Lithiumbatterie bleibt gelagert über einen langen Zeitraum und verlängert dadurch seine Nutzungsdauer.

Eine Konstruktion unter Verwendung hochwertiger Metalle

Die Bezeichnung dieser Batterien leitet sich unter anderem von ihrer einzigartigen Konstruktion ab, die es Lithium ermöglicht, in ionisierter Form zwischen den Elektroden hin und her zu wandern. Je nach den für die Elektroden verwendeten Materialien, Lithium-Ionen-Batterien werden in verschiedene Gruppen unterteilt . Das Funktionsprinzip bleibt gleich, aber Energiedichte, Zellspannung, Temperaturempfindlichkeit, Kapazität sowie zulässige Lade- und Entladeströme können aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Übergangsmetallionen variieren. Lithium-Batterien können wie folgt aufgebaut sein:

• Lithium-Polymer-Batterien : Der verwendete Elektrolyt ist ein Polymerfilm mit gelartiger Konsistenz. Diese Struktur ermöglicht die Herstellung besonders kleiner Batterien (weniger als 0,1 mm dick) und verschiedener Bauformen. Mit einer Energiedichte von bis zu 180 Wh/kg sind sie sehr leistungsstark, jedoch mechanisch, elektrisch und thermisch empfindlich.
• Lithium-Cobalt-Dioxid-Batterien : Die positive Elektrode dieser Batterie besteht aus Lithium-Cobalt-Dioxid, die Anode aus Graphit. Diese Batterien neigen bei Überladung zu thermischem Durchgehen.
• Lithiumtitanat-Batterien : In diesem Fall bestehen die negativen Elektroden nicht aus Graphit, sondern aus gesintertem Titanspinell. Dies ermöglicht schnelles Laden und den Betrieb bei Temperaturen bis zu -40 °C. Die positiven Elektroden bestehen ebenfalls aus Lithiumtitanoxid.
• Lithium-Eisenphosphat-Akkus : Die Zellen dieses Akkutyps besitzen eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode. Der Elektrolyt ist fest. Diese Akkus weisen eine geringere Energiedichte (bis zu 110 Wh/kg) auf, sind aber im Falle mechanischer Beschädigung nicht anfällig für thermisches Durchgehen. Die Entladekurve zeigt einen Memory-Effekt, der jedoch im Vergleich zu NiCd-Akkus sehr gering ist.

Funktionsweise von Lithiumbatterien: Laden und Entladen

Die Funktionsweise von Lithiumbatterien folgt einem einfachen Prinzip: Elektrische Energie wird durch einen chemischen Prozess gespeichert. und es wird zur Stromversorgung von Sammelgeräten verwendet, wie zum Beispiel dem Elektrische Akkumulatoren . Dies basiert im Wesentlichen auf der ständigen Bewegung von ionisiertem Lithium zwischen den Elektroden. Der Fluss der Lithiumionen gleicht den externen Stromfluss beim Laden und Entladen der Akkus aus, sodass die Elektroden selbst elektrisch neutral bleiben.

1. Herunterladen

Wenn die Batterie entladen ist, d. h. wenn ein Endgerät die gespeicherte Energie verbraucht, Die Lithiumatome in der negativen Elektrode emittieren jeweils ein Elektron . Dieses Elektron wird über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode zurückgeführt. Im selben Schritt wandern die gleichen Lithiumionen von der negativen Elektrode durch den Elektrolyten und den Separator zur positiven Elektrode. Dort werden die Elektronen von hochionisierten Übergangsmetallionen aufgenommen, deren Zusammensetzung je nach Batterietyp variiert und die im Gegensatz zu Lithiumionen unbeweglich sind.

2. Laden

Beim Laden der Akkumulatoren Nicht-ionisierte Lithiumatome wandern durch den Separator von der positiven zur negativen Elektrode und vermischen sich dabei mit Graphitmolekülen. Dieser Prozess, auch Interkalation genannt, wird durch Laden mit konstantem Strom bis zum Erreichen des Nennstroms ausgelöst. Sobald die Ladeschlussspannung erreicht ist, wird sie gehalten, während der Ladestrom abnimmt. Um Zellschäden oder Überhitzung (thermischer Schutz) zu vermeiden, sind die meisten Lithium-Ionen-Akkus mit elektronischen Lade- oder Schutzschaltungen ausgestattet. Diese Schaltungen sind auf das jeweilige Zelldesign abgestimmt und gewährleisten, dass weder Überladung noch Tiefentladung auftreten.