Lithium-Polymer-Akkumulator
Ein Lithium-Polymer-Akkumulator (auch LiPoly oder LiPo) ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher (Akkumulator). Er ist eine spezielle Bauform des Lithium-Ionen-Akkumulators, hat also die gleiche Zellchemie. Die Besonderheit besteht in der Konsistenz des Elektrolyten, welcher beim Lithium-Polymer-Akkumulator als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis vorliegt. Das ermöglicht eine freiere Gestaltung der Zellform wie zum Beispiel flache Zellen.
Wie bei den meisten Lithium-Ionen-Akkus besteht die negative Elektrode (Anode) aus Graphit. An der positiven Elektrode (Kathode) wird ein Lithium-/Metalloxid verwendet. Lithium-Polymer-Akkus verwenden an der positiven Elektrode überwiegend das preisgünstige Lithium-Cobalt(III)-oxid und sind von der Zellchemie daher Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren.
Grundsätzlich können Lithium-Polymer-Akkus auch andere Metalloxide an der positiven Elektrode verwenden wie Lithiummanganoxid. Solche Akkumulatoren sind dann von der Zellchemie her Lithium-Mangan-Akkumulatoren.[1]
Die Komponenten des Akkumulators – Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt, positive Elektrode – lassen sich preiswert aus Folien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern herstellen.
Es gibt fünf Zellgeometrien unter den drei Zellformaten zylindrisch (18650er Industrieakkus, 21700er von Panasonic für Tesla), prismatisch (z. B. von Samsung SDI) oder Zellen in Taschenformat (z. B. von LG Chem) für Elektroautos und Energiespeichersysteme und Pouch (eine in Aluminium-Verbundfolie verschweißte Zelle). Es gibt auch gewinkelte oder gebogene Formen. Am häufigsten werden Rund- oder Flachzellen gefertigt.
Eigenschaften
Feste Elektrolyt-Folien erreichen eine ausreichend hohe Ionenleitfähigkeit erst ab einer Betriebstemperatur von rund 60 °C. In Lithium-Polymer-Akkus kommt als Elektrolyt ein Gel zum Einsatz, das bei Raumtemperatur eine ausreichende (Ionen-)Leitfähigkeit besitzt.
Da der Elektrolyt bei einem Lithium-Polymer-Akku in einem gelartigen Polymer (Kunststoff) gebunden ist und nicht flüssig wie bei einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku, benötigt der Akkumulator nicht zwingend ein festes Gehäuse um die technischen Strukturen (Abstände Elektroden, Elektrolytverteilung) sicherzustellen. Daher kann er in vielen Formen produziert werden. Statt eines festen Gehäuses können eventuell Verbundfolien verwendet werden, was ebenfalls zu einer etwas höheren Energiedichte des Gesamtsystems führt. Ein Beispiel für einen solchen Elektrolyten ist Lithium[3,5-bis(trifluormethyl)pyrazolid]. Technische Daten:
- gravimetrische Energiedichte: circa 140 Wh/kg (bis zu 180 Wh/kg, Stand: April 2005)
- gravimetrische Leistungsdichte: etwa 300 W/kg (bis zu 5000 W/kg, Stand: September 2011)
Lithium-Polymer-Akkus sind mechanisch, elektrisch und thermisch empfindlich: Beschädigungen, Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (über 60 °C) oder zu niedrigen Temperaturen (unter 0 °C) und langes Lagern in entladenem Zustand schädigen oder zerstören die Zelle in den meisten Fällen.
Lithium-Polymer-Akkus können sich bei Überladung aufblähen (Gasentstehung durch Zersetzung) und verpuffen und dabei entzünden. Entzündungsgefahr und mechanische Belastbarkeit konnten durch hitzebeständige keramische Separatoren reduziert bzw. verbessert werden.
Im Handel erhältliche Lithium-Polymer-Akkupacks für Verbrauchergeräte enthalten ein für den jeweiligen Akku entwickeltes Batteriemanagementsystem (BMS), welches fix mit dem Akkupack verbunden ist und eine Ladungsangleichung der einzelnen Zellen in einem Zellverbund sicherstellt.
Aufbau
Das Bild zeigt einen Lithium-Polymer-Akku mit einer Nennspannung von 3,6 V. Der Akku ist in die Abdeckung eines Mobiltelefons integriert. Nach Entfernen der Plastikummantelung liegt rechts im Bild die elektrische Schaltung des Batterie-Management-Systems. Im Deckel des Alublocks ist eine elektrische Sicherung gegen Überlastung integriert. Der Alublock schützt die drei Folien des Lithium-Polymers, die im unteren Bild herausgezogen wurden.
Die Kunststofffolie (Polymer) nimmt den Elektrolyten auf. Eine Folie ist mit dem Elektrodenmaterial, üblicherweise Lithium-Cobalt(III)-oxid, für den positiven Kontakt beschichtet, die andere mit Graphit für den negativen. Die zweiseitige Beschichtung verdoppelt die Kapazität beim Zusammenwickeln.
Anders als bei konventionellen Batterien richtet sich die Bauform von Lithium-Polymer-Akkus nach den Erfordernissen der Hersteller, nicht nach Normen. Bei einem Ausfall des Akkumulators muss die gesamte Akkueinheit ausgetauscht werden. Selbst wenn man die Akkueinheit öffnet, ist nicht sichergestellt, dass die Ladeelektronik mit Ersatzakkus unbekannter Spezifikation zusammenarbeitet.
Lade- und Entladevorgang
Neue Lithium-Polymer-Akkumulatoren werden vom Hersteller vorgeladen ausgeliefert, um eine schädliche Tiefentladung bis zum Einsatz zu vermeiden. Vor dem Ersteinsatz sollten die Zellen/Batterien mit einem Ladegerät voll geladen werden, dabei werden eventuelle Ladungsdifferenzen zwischen den Zellen mittels eines Balancers ausgeglichen. Der Ladevorgang erfolgt üblicherweise nach dem IU-Verfahren zunächst mit konstantem Strom von typischerweise 1 C (bei geeigneten Zellen bis zu 6 C).
Lithium-Polymer-Akkumulatoren reagieren bei Überladung wesentlich empfindlicher als andere Akkutypen und werden dadurch unbrauchbar. Außerdem kann es angebracht sein, Lithium-Polymer-Akkus nur unter Aufsicht und nicht neben brennbaren Materialien aufzuladen.
Da sich bei tiefen Temperaturen generell die Beweglichkeit der Ionen verringert und viele Lithium-Polymer-Akkumulatoren unterhalb des Gefrierpunktes unbrauchbar werden, ist Lagerung/Gebrauch oberhalb 10 °C empfohlen. Die durch den inneren Widerstand der Zellen beim Laden auftretenden Verluste führen zur Erwärmung. Daher wird oft beim Laden, vor allem beim schnellen Laden mit hohen Strömen in kurzer Zeit, eine Temperaturüberwachung/Kühlung verwendet.
Aktuell sind Lithium-Polymer-Akkus mit bis zu 60C (Stand 2021) Entladerate marktüblich. Kurzzeitig (5–10 Sekunden) können diese auch mit 130C entladen werden.[2]
Die Ladeschlussspannung darf niemals überschritten werden. Eine Überschreitung kann zu einer nicht reversiblen Schädigung der Zelle durch Zersetzung des Elektrolyten führen. Die Ladeschlussspannung liegt je nach Zellchemie und Temperatur zwischen 4,10 und 4,25 V. Sie ist exakt einzuhalten. Bei mehreren Zellen in Serienschaltung begrenzt ein Balancer die maximale Spannung über jeder einzelnen Zelle.
Bei der Entladung wird der Akkumulator über eine bestimmte Zeit elektrisch belastet, bis die Entladeschlussspannung erreicht ist. Als Entladeschlussspannung gelten 3,3 Volt.
Lebensdauer
Bei der Lebensdauer von Lithium-Polymer-Akkumulatoren ist die Zyklenfestigkeit und die kalendarische Alterung zu unterscheiden. Allgemein gilt ein Akkumulator als verschlissen, wenn er weniger als 80 % der Nennkapazität besitzt. Allgemeine Aussagen sind schwer zu treffen, da neben der technischen Ausführung und Qualität die praktischen Einsatzbedingungen großen Einfluss haben. Während LiPo-Zellen im Modellbau oft an der Leistungs- und Spezifikationsgrenze betrieben werden und dementsprechend schnell verschleißen, halten flach gezykelte Traktionsbatterien, beispielsweise im Elektroauto, viele Jahre. Die Zyklenfestigkeit wird dabei zum einen konstruktiv bestimmt, zum anderen verbessert häufiges Nachladen ohne Überladung den gesamten erreichbaren Energieumsatz, also die Zyklenfestigkeit. Nachteilig wirkt sich in Alltagsgeräten meist fehlende Kühlung aus, die zu schneller kalendarischer Alterung führt. Dabei nimmt die Akkukapazität auch ohne Nutzung durch irreversible Vorgänge in der Zelle ab.
Empfehlungen:
- häufiges Nachladen (flache Entladezyklen)
- Ladeschlussspannung niemals überschreiten
- an den Zellentyp angepasstes Batteriemanagementsystem
- Nicht tief entladen
- Betrieb im optimalen Temperaturbereich
- Lagerung bei längerem Nichtgebrauch in halbvollem Zustand (ca. 3,85 V)
- Lagertemperatur, je kühler, desto weniger dauerhafter Kapazitätsverlust (nicht kälter, als auf dem Akku angegeben, normalerweise −20 °C bis −25 °C)
Anwendungen
Solarfahrzeug
Mit einem Lithium-Polymer-Akkumulator ist der Sky Ace TIGA ausgerüstet, mit 165 km/h Inhaber des Geschwindigkeitsweltrekords für Solarfahrzeuge. Ebenso benutzt auch das zurzeit neueste Solarflugzeug Solar Impulse diesen Akkumulatortyp.
Elektroauto
Seit 2007 sind bei der Firma Kruspan Engineering in der Schweiz Lithium-Polymer-Akkumulatoren der Firma Kokam mit hoher Energiedichte als Traktionsbatterie in einem Elektroauto vom Typ Hotzenblitz aus dem Jahr 1996 getestet worden. Bei den unternommenen Fahrzeugtests sind Reichweiten über 350 km erzielt worden.[3][4][5][6] Dieser Hotzenblitz nahm 2011 als „Team 9 Faraday USA“ mit Roger Miauton, Mark Fuller und Mike Collier an der Wave2011 (World Advanced Vehicle Expedition), einer Tour von 3000 km, die durch acht Länder führte, teil.[7] Hyundai verwendet in mehreren Baureihen von Elektro- und Hybridfahrzeugen Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Auch in Mercedes eCitaros sind mehrere Lithium-Polymer-Akkumulatoren eingebaut.[8]
Modellbau
Lithium-Polymer-Akkumulatoren fanden eine schnelle Verbreitung im Modellbau, da er hier einen enormen Leistungsschub für ferngesteuerte Modelle bewirkte. Eingesetzt als Antriebs-, Empfänger- und Senderakku deckt er die ganze Sparte ab. Siehe auch RC-Modellbau.
Mobiltelefone
Auch in den Mobiltelefonen finden Lithium-Polymer-Akkus inzwischen immer häufiger Anwendung, im Gegensatz zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus.
MP3-Player
Während früher MP3-Player allgemein aus Preisgründen mit herkömmlichen Batterien oder Akkus bestückt wurden, so befinden sich in diesen heute vermehrt, vor allem auch bei Modellen des unteren Preissegmentes, Lithium-Polymer-Akkus. Aus Kostengründen werden diese oftmals fest eingebaut oder haben ein proprietäres Format. Ein Defekt kann somit einen Totalschaden bedeuten, weil sich der Austausch außerhalb der Garantiezeit finanziell nicht mehr lohnen würde.
Weblinks
- Kompendium: Li‐Ionen‐Batterien (Stand Juli 2015, PDF; 1,2 MB) BMWi Förderprogramm IKT für Elektromobilität II
- Skript über diverse Typen von Lithium-Batterien (Stand Feb. 2005, PDF; 3,4 MB) TU Graz, Institut für Chemische Technologie Anorganischer Stoffe
- Batterieforum Deutschland, Infoportal mit Links zum allgemeinen Batterie-Kompendium und Lexikon
- Kompendium: Lithium-Ionen-Batterien des Batterieforums Deutschland
Einzelnachweise
- Grant M. Ehrlich: Handbook Of Batteries. Hrsg.: David Linden, Thomas B. Reddy. 3. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8, Kapitel 35.7: Polymer Li-Ion Batteries, S. 35.71 - 35.85.
- Blackhorselipo.de: Sicherheitshinweise (Memento vom 22. Februar 2014 im Internet Archive)
- Markus Pflegerl: Conversion of a Hotzenblitz to Lithium Polymer from Kokam (Memento des Originals vom 24. Dezember 2013 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. Wattgehtab-Internetportal, 20. November 2007 (englisch)
- Firma MDW-Temperatursensorik GmbH: „Hotzenblitz“ im Einsatz von 1996 bis Sept. 2010 Unterpunkt Solarenergie, aufgerufen am 12. Januar 2012
- Solar- und Elektromobil Nachrichten:Hotzenblitz mit Lithium-Polymer Batterien Artikel zum Umbauprojekt der Firmen Kruspan Engineering und MDW-Temperatursensorik GmbH
- Firma Kruspan: Hotzenblitz mit ~350km Reichweite Webseite Firma Kruspan, aufgerufen am 7. Januar 2012
- Veranstalterseite: Teams (Memento des Originals vom 15. Januar 2012 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., aufgerufen am 7. Januar 2012
- Mercedes eCitaro with solid state battery test ride. Abgerufen am 9. Oktober 2021 (deutsch).
