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lithium-ionen-akku [2009/03/30 12:20] (aktuell) |
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+ | ====== Lithium-Ionen-Akku ====== | ||
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+ | Ein Lithium-Ionen-Akku (Lithium-Ionen-Akkumulator, | ||
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+ | Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Seine nutzbare Lebensdauer beträgt mehrere Jahre; allerdings ist dies stark von der Nutzung und den Lagerungsbedingungen abhängig. Li-Ionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Spannungsbedarf, | ||
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+ | ===== Kennwerte ===== | ||
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+ | Ein konventioneller Li-Ionen-Akku liefert eine Spannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines NiMH-Akkus ist. Die Energiedichte ist mit ca. 100 Wh/kg etwas geringer als die von Alkali-Mangan-Batterien, | ||
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+ | Die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus verringert sich selbst ohne Benutzung mit der Zeit, hauptsächlich durch parasitäre Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten. Die Zersetzungsgeschwindigkeit steigt mit der Zellspannung und der Temperatur. Eine [[Tiefentladung]] unterhalb 2,4 V kann den Akku dauerhaft schädigen. Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 °C und einem Ladestand von 60%, ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung. Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 40-60% nachgeladen werden. Zur Zeit gilt die Faustregel, dass ein Li-Ionen-Akku nach ca. drei Jahren mehr als 50% seiner Kapazität eingebüßt hat. Generell sollte Entladen unter 40% vermieden werden, da es bei " | ||
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+ | Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkus bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, | ||
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+ | Li-Ionen-Akkus dürfen nur mit spezieller Elektronik geladen werden. Bei einer Tiefentladung oder Überladung schaltet im günstigen Fall eine interne Sicherung den Akku ab, und er ist nicht mehr zu reparieren. Im ungünstigen Fall kann er Feuer fangen. Meist ist die Ladeelektronik bereits in das Akku-Pack integriert. | ||
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+ | ===== Ladetechnik ===== | ||
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+ | Das Laden von Lithium-Batterien erfolgt grundsätzlich nach dem IU-Ladeverfahren (auch CC/ | ||
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+ | * Constant Current: Zunächst wird der Ladestrom bei etwa 1 C (C entspricht der auf der Zelle angegebenen Kapazität) konstant gehalten. Bei leeren Zellen, die unter 2,9 Volt haben, wird der Ladestrom zunächst unter 0,5 C gehalten. Nach etwa einer Stunde haben die Zellen ca. 80% der Kapazität erreicht. Allerdings ist es aufgrund der Ladekennlinie von Li-Ionen Zellen nicht möglich, mit konstantem Strom eine vollständige Ladung zu erzielen. | ||
+ | * Constant Voltage: Aus diesem Grund wird in der zweiten Phase mit konstanter Spannung geladen. Die Ladespannung darf hierbei die Maximalspannung überschreiten. Daher hat jede Zelle eine eigene Ladeelektronik, | ||
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+ | Zu Beginn der Ladung wird der Strom langsam von 0 Ampere bis zum Maximalwert gesteigert. Erst wenn die Spannung über der Zelle 3,6 Volt erreicht, sollte sie mit vollem Strom geladen werden. Nähert sich die Zelle ihrer maximalen Kapazität, steigt der Innenwiderstand an, was wegen des konstant gehaltenen Ladestroms gemäß Ohmschem Gesetz zu einer Steigerung der Zellenspannung führt. Nun greift die Spannungsregelung, | ||
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+ | Im Modellbau, z. B. bei elektrischen Modellhubschraubern, | ||
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+ | Damit nicht einzelne Zellen in einem in Serie geschalteten Pack überladen werden, kann pro Zelle z. B. ein zweipoliger Steckverbinder herausgeführt werden, an den während des Ladevorgangs sogenannte Balancer (Ladebegrenzer) angeschlossen werden (d. s. elektronische Schaltungen, | ||
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+ | ===== Lagerung und Sicherheitshinweise ===== | ||
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+ | Lithium ist ein hochreaktiver Stoff. Auch wenn es nicht wie bei Lithiumbatterien als Li-Metall vorliegt, sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus leicht brennbar. Ausgleichsreaktionen beim Überladen, zum Beispiel die Zersetzung von Wasser wie bei anderen Akkus, sind nicht möglich. Interne Schutzschaltungen sollten ein Verpuffen verhindern; auf alle Fälle zerstören sie die Funktionsfähigkeit des Akkus. | ||
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+ | Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Die hohe Stromstärke lässt das Gehäuse schmelzen und in Flammen aufgehen. Unter Umständen ist der Defekt nicht unmittelbar zu erkennen. Noch 30 Minuten später kann es zum Ausbruch eines Feuers kommen. | ||
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+ | ===== Lagerung: ===== | ||
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+ | * Li-Ion: Ladezustand 40-60%, kühl lagern. | ||
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+ | Sicherheitshinweise: | ||
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+ | * Li-Ionen-Akkus sind hermetisch gekapselt. Dennoch sollten sie nicht in Wasser getaucht werden; (defekte) Lithium-Zellen reagieren grundsätzlich heftig mit Wasser (insbesondere in vollgeladenem Zustand). | ||
+ | * Li-Ionen-Akkus sollten nur mit passenden Geräten geladen werden. Schnell-Ladegeräte für Li-Ionen-Akkus, | ||
+ | * Li-Ionen-Akkus sind mechanisch empfindlich. Durch internen Kurzschluss und in Kontakt mit Luft können sie sich entzünden. | ||
+ | * Ein beschädigter Li-Ionen-Akku (z. B. durch Absturz eines Modellflugzeugs) kann sich mit einer Zeitverzögerung von 30 Minuten und mehr entzünden. | ||
+ | * Li-Ionen-Akkus sollten niemals kurzgeschlossen werden, nicht über 4,2 V geladen und nicht unter 2,5V pro Zelle entladen werden. Beim Laden ist auf eine gute Wärmeabfuhr zu achten (nicht in die Sonne legen). Mehrere Zellen sollten nur dann gleichzeitig geladen werden, wenn Schutzschaltungen eine überhöhte Spannung oder gar eine Umkehrspannung an einer einzelnen Zelle verhindern. | ||
+ | * Einen brennenden Akku möglichst nicht mit Wasser, sondern mit Sand löschen. | ||
+ | * Ausgelaufene Elektrolytflüssigkeit eines Li-Ionen-Akkus lässt sich von Kleidung mit viel Wasser abwaschen. Die Elektrolytflüssigkeit ist brennbar. | ||
+ | * Es gibt Berichte über Verbrennungen, | ||
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+ | ===== Prinzip ===== | ||
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+ | Ein Lithium-Ionen-Akku erzeugt die elektromotorische Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen. | ||
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+ | Beim Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten hindurch von der positiven Elektrode zur negativen, während der Ladestrom die Elektronen über den äußeren Stromkreis liefert. Eine negative Elektrode aus Lithium-Metall ist elektrochemisch optimal, für einen Akku aber ungeeignet. Da sich die Elektrode beim Entladevorgang genauso wie bei einer Lithium-Batterie auflöst, besteht beim Ladevorgang keine Möglichkeit mehr, ihre Geometrie zu rekonstruieren. | ||
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+ | Mit folgenden Materialien wird experimentiert (die älteren Materialien zuerst): | ||
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+ | Negative Elektrode: | ||
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+ | * Graphit (Interkalation von Lithium) | ||
+ | * Nanokristallines, | ||
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+ | Elektrolyt (wasserfrei) | ||
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+ | * Salze, wie LiPF6 in wasserfreien aprotischen Lösungsmitteln | ||
+ | * Polymer aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) | ||
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+ | Positive Elektrode | ||
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+ | * Spinelle wie LiCoO2, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2 oder LiMn2O4 | ||
+ | * Li4Ti5O12 | ||
+ | * LiFePO4 | ||
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+ | ===== Aufbau ===== | ||
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+ | Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen (2005) Li-Ionen-Akkus besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält Lithium-Metalloxide mit Spinell-Struktur, | ||
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+ | Beim Laden wandern Lithiumionen zwischen die Graphitebenen (nC); sie bilden mit dem Kohlenstoff eine Interkalationsverbindung (LixnC). Beim Entladen fließen die Elektronen über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode. | ||
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+ | Wesentlich für das Funktionieren der Interkalation ist die Ausbildung einer Deckschicht auf der negativen Elektrode, welche für die kleinen Li+-Ionen permeabel, für Lösungsmittelmoleküle jedoch undurchlässig ist. Ist die Deckschicht ungenügend ausgebildet, | ||
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+ | ===== Reaktionsgleichungen ===== | ||
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+ | Negative Elektrode (Entladung): | ||
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+ | LixnC -> nC + x Li+ + x e- | ||
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+ | Positive Elektrode (Entladung): | ||
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+ | Li1-xMn2O4 + x Li+ + x e- -> LiMn2O4 | ||
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+ | Redox-Gleichung: | ||
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+ | Li1-xMn2O4 + LixnC -> LiMn2O4 + nC | ||
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+ | Metallisches Lithium kommt also in keiner Reaktion vor, es werden lediglich Li+-Ionen zwischen den Elektroden transferiert. Dadurch sind Li-Ionen-Akkus sicherer als Li-Batterien. Zwar wäre metallisches Lithium aufgrund der wesentlich größeren Energiedichte günstiger, jedoch scheidet sich Lithium aufgrund der Deckschichten auf der Elektrodenoberfläche nicht als kompaktes Metall, sondern fein verteilt ab, wodurch sich ein hochreaktiver Li-Schwamm bildet. Durch Dendritenwachstum durch den Separator kann es zum Kurzschluss und dadurch zum Entzünden des Lithiums kommen. | ||
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+ | ====== Siehe auch ====== | ||
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+ | * **[[Cityel Lithiumumbau_16x60Ah]]** | ||
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+ | * **[[lithium-polymer-akku]]** | ||
+ | * **[[lithium-akkumulator]]** | ||
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+ | ====== Links LiIo ====== | ||
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+ | **[[http:// | ||
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+ | ====== Links ====== | ||
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