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Lithium-Ionen-Akkumulator

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Lithium-Ionen-Akku Informationen

Eine Lithium-Ionen-Batterie – alternativ auch Lithiumionen-Akku, Li-Ion-Akku oder einfach Lithium-Akku – charakterisiert sich durch eine hohe Energiedichte im Vergleich zu früheren Akkumulator-Typen, wie den Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) und Nickel-Metallhydrid-Akkus (NIMH Akku). Es ist mehr Energie bei gleichzeitig geringerer Masse verfügbar. Aufgrund dieses Vorzugs haben die Lithium-Ionen-Akkus die älteren Akkutechnologien größtenteils abgelöst. Zudem profitiert die Lithium-Ionen-Zelle vom europäischen Übereinkommen, das ein Verbot von NiCd-Batterien zur Folge hatte. Ein Blick in die Tiefe der Thematik zeigt, dass es mehrere Subtypen der Akkus gibt, die sich voneinander unterscheiden. Dieser Artikel klärt Sie zur Vereinfachung der Kaufentscheidung vollumfassend über die Akkutypen auf.

Was ist eine Lithium-Batterie?

Der Begriff Lithium-Ionen-Akkumulator legt lediglich fest, dass in Akkus Lithium-Ionen zwischen den Elektroden wandern. Welche  Elektrodenmaterialien zum Einsatz kommen, variiert hingegen mit dem jeweiligen Li-Ion-Akku. Dies wirkt sich auf Einsatzbereiche, technische Leistungsdaten und Vorsichtsmaßnahmen im Rahmen der Nutzung der Akkutypen aus.

Mitunter folgende Akkutypen exisiteren:

  • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2; vereinzelt: LiCoO 2)

  • Lithium-Mangan-Akkumulator (LiMnO2; vereinzelt: Li M n 2 O)

  • Lithiumtitanat-Akkumulator (Li4Ti5O12)

  • Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC)

  • Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator (NMA)

  • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4)

Die Anode besteht aus einem Lithium-Metalloxid oder Graphit. Meist ist es das Lithium-Cobaltoxid, macnhmal eine Graphitelektrode aus hochwertigem Graphit, die schnelles Laden und eine verbesserte Konsistenz der Qualität begünstigt. Die Katode setzt sich aus den anderen in der Aufzählung genannten Materialien zusammen. Es handelt sich also beispielsweise um eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode bei dem LiFePO4 oder eine Mischung aus Nickel, Mangan und Cobalt bei dem NMC. Das Elektrodenmaterial - oder treffender: das Kathodenmaterial - bestimmt also primär darüber, welche Eigenschaften Lithiumbatterien mit sich bringen.

Um ein Beispiel für die verschiedenen Produkt- und Nutzungseigenschaften der einzelnen LiIon-Akkus zu nennen: Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO 2) weist die bei weitem höchste Energie pro Kilogramm aller Lithium-Akkutypen auf, aber birgt eine erhöhte Brandgefahr. Während die negative Elektrode, die Anode, wie bei fast allen Typen der Li-Ionen-Akkus aus Graphit besteht, setzt sich bei Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren die positive Elektrode, die Kathode, aus dem Material Lithiumcobaltdioxid zusammen. Bei der Überschreitung einer kritischen Temperatur, die bei Überladung auftritt, wird reiner Sauerstoff freigesetzt, der in Kombination mit den Stoffen im Elektrolyten hoch brennbar ist. Dementsprechend ist bei der Nutzung von Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren mehr als bei anderen Typen auf eine sachgemäße Nutzung mit Rücksicht auf Umgebungstemperatur und Ladeprozess Rücksicht zu nehmen. Die Empfehlung, auf minimal 20 % der Akkukapazität zu entladen und auf maximal 80 % zu laden, gilt her besonders. Zu der Akkupflege später mehr.

Wo sind Lithium-Ionen-Akkus drin?

Derzeit finden Lithium-Ionen-Zellen Einsatz in sämtlichen Bereichen, in denen Batterien erforderlich sind. Anfangs beschränkte sich die Nutzung auf Geräte, für die Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien zu groß waren:

  • Smartphones und andere Mobiltelefone

  • Tablets

  • Laptops (Notebooks, Gaming Laptops und weitere)

  • Digitalkameras

  • Tragbare Konsolen

  • Taschenlampen

  • Softairwaffen

Mit der Zeit und der Weiterentwicklung kamen neue Einsatzbereiche hinzu. Ein aktuell populärer und an Bedeutung zunehmender Sektor ist die Elektromobilität. Aus Elektroautos, Pedelecs sowie weiteren Geräten sind sie kaum mehr wegzudenken. Durch die hohe Energiedichte machen sie die Nutzung der Elektroautos und Hybridfahrzeuge überhaupt erst lukrativ. Im Endverbraucherbereich nimmt die Anzahl der Elektronikgeräte mit Lithiumbatterien stetig zu: Überwachungselektronik, nahezu alle Arten von Gartengeräten und Elektrowerkzeugen, Elektrorollstühle sowie zahlreiche weitere Geräte werden mit den Lithiumbatterien ausgestattet. Weitere Nutzungszwecke erschließen sich den Li-Ion-Zellen im RC-Modellbau und Flugmodellbau. Funkferngesteuerte Geräte werden beim Elektromotor entweder mit nicht wiederaufladbaren galvanischen Zellen oder mit Li-Ionen-Akkus ausgestattet.

Bei größeren Geräten oder kleineren Geräten mit hohem Energiebedarf kommen nicht einzelne Akkus bzw. Zellen zum Einsatz. Stattdessen werden Pakete, sogenannten Akkupacks, verbaut. In diese Pakete werden die passenden Batterien vom jeweiligen Batteriehersteller eingefügt. Mal können es sechs Zellen sein; mal zwölf, mal noch mehr oder weniger. Zudem variiert der Zellentyp mit dem jeweiligen Gerät. Diesbezüglich ist eine wichtige Unterscheidung zwischen den Lithium-Polymer-Akkus und der zylindrigen Bausweise zu treffen.

Verschiedene Arten von Akkumulatoren

Die Subtypen der Li-Ion-Akkus weisen Unterschiede in der kommerziellen Verbreitung, den empfohlenen Einsatzgebieten, ihrer Bauweise sowie weiteren Kriterien auf.

Typ

Verbreitung

Risiken

Besonderheiten

Energiedichte (in Wh/kg)

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC)

Bei Antriebsbatterien häufig anzutreffen

Umweltschädlich aufgrund des vergleichsweise hohen Nickel-Anteils

Technisch gesehen sicherer und zugleich preiswerter als andere Typen

bis zu 150

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator (NMA)

Alternative zu den NMC-Antriebsbatterien, aber insgesamt weniger verbreitet

bei mechanischen Schäden ergeben sich Risiken

Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und höhere Umweltfreundlichkeit als die NMC-Variante

240 - 270

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator

Bei autonomen und kleineren Geräten manchmal vorhanden

keine signifikanten; außer bei mechanischen Schäden

Memory-Effekt als Kapazitätsverlust bei Teilentladungen des Akkus vorhanden (negativ für die Lebensdauer)

100 - 120

Lithium-Mangan-Akkumulator

Bei Hochstromeinsätzen üblich

Nur bei mechanischen Schäden durch Gewalteinwirkung

Geringerer Innenwiderstand

 

Lithiumtitanat-Akkumulator

Selten; ergibt aufgrund seiner Eigenschaften bei Einsätzen von Geräten in kalten Regionen Sinn

Keine vorhanden; selbst bei mechanischen Schäden gesichert

Lebensdauer des Akkus fällt besonders lang aus, weil die Bindung des Lithiums im Titanat die Entstehung einer schädigenden Oberflächenschicht verhindert

70 - 90

Lithium-Kobaltoxid-Akkumulator

Gering, weil auf Einsatzgebiete mit außerordentlich hohem Energiebedarf beschränkt

Gefährlich, weil Häufung unkontrollierbarer Reaktionen Brennbarkeit begünstigt 

Höchste Energiedichte aller Lithium-Akkus

bis zu 500

In der Tabelle ist ein Großteil der Subytpen vorhanden, die zurzeit im Einsatz sind. Parallel gibt es weitere Typen, die aktuell auf Forschungszwecke beschränkt sind oder ein Nischendasein fristen. Neben der tabellarischen Unterteilung wird anhand der Bauweisen von Zellen unterschieden. Die wichtigsten Typen nach Bauweise sind die Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Zentrales Merkmal der Lithium-Polymer-Akkus ist die Gestaltung des Elektrolyten, der aufgrund des Aufbaus auf Polymerbasis vielfältige Möglichkeiten im Aufbau der Zelle bietet. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung flacher Zellen (siehe: Flachbauweise zylindrische Zelle). Meist sind die handelsüblichen Artikel ein Li-Polymer-Akkumulator.

Als ergänzende Informationen zur Tabelle sind sicherheits- und leistungstechnische Inhalte näher auszuführen. Dabei sei erwähnt, dass aufgrund der enthaltenen Materialien jeder Akkumulator-Typ Risiken für die Gesundheit aufweist, sofern er in den Körper gelangt. Zudem stehen NMC-Akkumulatoren verstärkt in dem Ruf, durch die Strahlung gesundheitsschädliche Wirkung zu entfalten. Bei einer ausreichenden Distanz zum Körper während des Ladeprozesses des Akkumulatoren sollte dieser Aspekt nicht signifikant ins Gewicht fallen, die Gesundheitsrisiken sind nach jetzigem Stand wahrscheinlich überschaubar.

Die tatsächlichen Energiedichtenwerte eines Akkumulatoren können die in der Tabelle genannten Pauschalwerte unterschreiten. Beim NMA-Akkumulator beispielsweise liegt die Energiedichte je nach Produkt bei 240 bis 270 Wh/kg. Dies setzt aber voraus, dass es sich um zylindrische Akkumulatoren im 18650 Format handelt. Die Energiedichte ist tabellarisch aufgeführt, weil sie besagt, wie viel Wattstunden pro Kilogramm Energie geliefert werden können. Je höher die Energie pro Kilogramm bei einem Akkumulator-Typen liegt, umso kleiner kann er bei gleichzeitig höherer Energiebereitstellung sein. Dies ist der Grund, weswegen bei Platzmangel in Geräten auf die riskanteren und zum Durchlaufen neigenden Li-Cobaltdioxid-Akkumulatoren zurückgegriffen wird.

Hinweise zum Kauf eines Akkus

Auf der Suche nach einem neuen Li-Ion-Akku stellt sich die Frage nach dessen Kompatibilität mit dem jeweiligen Gerät sowie der gewünschten Energiekapazität. Um die Berücksichtigung dieser Aspekte sicherzustellen, sind mitunter die folgenden Kennzahlen beim Kauf eines Li-Ion-Akkus ausschlaggebend:

  • Zellbezeichnung

  • Amperestunden (Ah) und Wattstunden (Wh)

  • Energiekapazität

  • C-Rate

 

Die Zellbezeichnung erfolgt bei den handelsüblichen Li-Ionen-Akkumulatoren, die in einer zylindrischen Form verkauft werden, mittels einer fünfstelligen Zahl. Die ersten beiden Ziffern dieser Zahl geben Aufschluss über den Zelldurchmesser in Millimetern, die folgenden beiden Ziffern über die Länge der Zelle in Millimetern und die fünfte Ziffer steht für die Art der Bauweise; also "0" für den Zylinder. Die besonders weit verbreiteten 18650 Akkus haben demnach einen 18 Millimeter großen Zelldurchmesser und eine Zellenlänge von 65 Millimetern. Diese Akkus kommen in E-Autos, E-Zigaretten und Taschenlampen standardmäßig zum Einsatz. Für Sie ist die Bedeutung dieser Zahlen irrelevant. Sie müssen beim Kauf lediglich wissen, wie der Name der Zellbezeichnung ist und passend dazu das Produkt aussuchen.

Zur Bewertung der Leistungsstärke eines Akkumulatoren eignen sich die Angaben Amperestunden (Ah) und Wattstunden (Wh) der Batteriehersteller. Sie werden in Abhängigkeit von der Voltzahl (angegeben z. B. als 2 V) ermittelt und sagen aus, wie viel Stromstärke in Ampere (A) oder Watt (W) der Akkumulator über die Dauer einer Stunde abgeben kann. Die Wattstunden pro Kilogramm sind als Kaufkriterium für die Verbraucher unwichtig. Es handelt sich in der Forschung und in der Konzeption von Geräten um einen wichtigen Aspekt, um Akkumulatoren mit einer ausreichenden Energie in den Geräten zu verbauen, damit die Verbraucher in der Nutzung ohne häufiges Nachladen adäquat für den jeweiligen Zweck mit Energie versorgt sind.

Die Energiekapazität ist ein einfach greifbares und verständliches Kaufkriterium. Durch die dort stehende Zahl erfahren Sie, wie viel Energie in dem Akkumulator gespeichert ist. Sorgen Sie dafür, dass der von Ihnen gekaufte Akkumulator mindestens die Energiekapazität hat, die Ihre vorige Batterie hatte. Sollte die Energiekapazität noch höher sein, dann ist es besser, weil Sie aufgrund der höheren verfügbaren Energiemenge das Gerät voraussichtlich länger nutzen werden können, ohne nachladen zu müssen.

Die C-Rate informiert darüber, wie stark die Belastung maximal sein darf. Analog dazu gibt die Rate an, wie stark die Batterie maximal entladen werden darf. Um die maximale Belastbarkeit zu ermitteln, muss die Nennkapazität mit der C-Rate multipliziert werden. Im Falle einer Nennkapazität von 2 Ah und einer C-Rate von 40 C würde dies bedeuten, dass der Akkumulator maximal bis 80 Ampere entladen werden dürfte. In der Praxis ist diese Angabe in den meisten Fällen nicht notwendig, weil eine solch hohe Stromabgabe der Geräte aus technischen Gründen nicht möglich ist. Für die wenigen betroffenen Branchen bzw. Nutzer lohnt es sich dennoch, diese Zahl im Auge zu behalten.

Wie gefährlich sind Lithium Ionen Akkus? - Ratschläge zur Akku-Pflege

Wie schädlich ein Li-Ion-Akku ist, hängt von der Art der Verwendung und dem Akkumulatoren selbst ab. Die in Geräten des täglichen Gebrauchs verbauten Batterien sind von Werk aus ungefährliche Akkutypen. Jede Form unsachgemäßer Behandlung aber stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Halten Sie sich an die Angaben vom Hersteller zum Umgang mit dem jeweiligen Li-Ion-Akkus, dann bestehen bei den handelsüblich erhältlichen Produkten keine Sicherheitsbedenken.

Risiko #1: Mechanische Schäden

Wenn ein Akkumulator fällt, angeschnitten, zerlegt oder anderweitig deformiert wird, ist er mechanisch geschädigt.  Schlimmstenfalls kommt es direkt zum unkontrollierten Austritt von Schadstoffen. Einzige Ausnahme bei dem Risiko mechanischer Schäden ist der Lithiumtitanat-Akkumulator. Aufgrund des Titanats ist der Akkumulator selbst bei mechanischen Schäden sicher. Das Titanat bindet das Lithium, sodass keine schädigende Oberflächenschicht entstehen kann. Die Hauptgründe, weswegen Li-Ion-Akkus mit Titanat kaum eingesetzt werden, bestehen in der verringerten Energiedichte sowie den hohen Kosten fürs Material.

Während Sie als Verbraucher durch einen sorgsamen Umgang (Verhindern von Stürzen, Hinlegen statt Werfen u. Ä.) bei allen anderen Akkutypen bereits alles Notwendige für die Schonung des Lithium-Ionen-Akkus tun, sind aktuellForscher des Fraunhofer Instituts damit beschäftigt, andere Schadensmechanismen aufzuklären. Abgesehen von den mechanischen Einwirkungen durch unsachgemäße Behandlung sind Li-Ionen-Akkumulatoren nämlich folgenden weiteren unvermeidbaren mechanischen Einflüssen ausgesetzt:

  • Vibrationen beim Transport zum Händler und Verbraucher

  • Volumenveränderungen der Elektroden beim Laden und Entladen

  • Stöße, Schockimpulse und Vibrationen bei der Produktion

 

Hersteller stellen zwar sicher, dass sich diese Einwirkungen nicht akut schädigend auf die Li-Akkus und Akku-Packs auswirken, aber über die Dauer der Nutzung verteilt scheinen diese Aspekte ebenfalls eine Rolle zu spielen. Die Rolle der aufgezählten natürlichen mechanischen Einflüsse für die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Akkus ist ungeklärt, das Risiko aber schwindend gering. Zudem haben Sie als Verbraucher kaum Einfluss darauf. Lediglich die Volumenänderungen beim Lade- und Entladevorgang können Sie beeinflussen, womit wir beim zweiten Risikoaspekt angelangt sind.

Risiko #2: Unsachgemäßer Ladevorgang

Ein unsachgemäßer Ladevorgang kann zu unumkehrbaren Akkuschäden, Bränden, Kurzschlüssen und Austritt von Gefahrenstoffen führen. Die Einhaltung der von Herstellern in Produktblättern gegebenen Hinweise sorgt für Sicherheit. Nur bei grober Missachtung der Empfehlungen von Herstellern kann es zu einem Defekt und sonstigen Gefahren kommen.

An erster Stelle steht der sachgemäße Ladevorgang, der mit der Nutzung des richtigen Ladegeräts beginnt. Es existieren auf dem Markt verschiedene Geräte zum Laden, die zum Teil dem eigenen Ladegerät zum Verwechseln ähnlich sind. Nutzen Sie nur Ladegeräte, von denen Sie sicher sind, dass diese zu Ihrem Li-Ion-Akkumulator passen. Meistens finden Sie auf der Website der Händler umfassende Akkupacks, die Akkumulatoren und Ladegerät umfassen und vom Gehäuse und der Funktionalität her optimal auf Ihren Akkutyp abgestimmt sind. So kaufen Sie mit dem passenden Akkumulatoren direkt das passende Ladegerät.

Während der Benutzung und des Aufladens ist darauf zu achten, dass bei den Lithium-Ionen-Akkumulatoren der Akkustand auf maximal 20 % sinkt. Es sollte zudem auf maximal 80 % aufgeladen werden. Als ideal werden in Fachkreisen Werte zwischen 30 und 70 % angesehen. Sollten Sie beim Einsatz diese Werte unter- oder überschreiten, ist nicht sofort eine Gefahr gegeben. Es verkürzt sich aber die maximale Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkumulators. Sollte er bereits mehrere Jahre alt sein oder 700 bis 1.000 Ladezyklen hinter sich haben, dann steigt das Risiko auf Tiefentladung. Eine Tiefentladung tritt dann ein, wenn die Entladeschlussspannung unterschritten wird. Lithium-Ion-Akkumulatoren haben eine sogenannte Entladeschlussspannung: Sie liegt bei zwischen 2,5 Volt und 3,3 Volt - es variiert mit dem jeweiligen Akkutypen. Wird bei der Nutzung diese Spannung unterschritten, so kommt es schlimmstenfalls zur Schädigung der Lithium-Ionen-Batterien. Damit dies bei der Nutzung nicht passiert, schalten sich einige Geräte automatisch ab. Beispiel hierfür ist das automatische Abschalten des Smartphones bei einem Prozent restlicher Energie: Nachdem das Smartphone sich abschaltet, ist es möglich, es wieder anzuschalten. Die dadurch gewonnene Kapazität ist jedoch stark begrenzt, die Risiken im Gegenzug aber groß. Ein Kurzschluss sowie die Entstehung von Bränden beim Ladevorgang tiefentladener Lithium-Ionen-Batterien sind die hauptsächlichen Gefahren. Zur Vorbeugung dieses Risikos sind Akkumulatoren immer nur mit den richtigen und funktionierenden Ladegeräten aufzuladen. Alte Akkumualtoren sollten möglichst früh ausgetauscht werden, was uns zum dritten für Sie als Verbraucher relevanten Risiko-Aspekt führt.

Risiko #3: Veralteter Akkumulator

Während die Anforderungen gleich bleiben, verschlechtern sich mit fortlaufender Lebenszeit die Eigenschaften einer Batterie. Beim Prozess der Alterung nimmt die Kapazität ab. Dies merken Sie als Verbraucher als erstes, weil es direkt mit den Nutzungseigenschaften verbunden ist: Sie können den Akku nicht mehr so lange nutzen wie früher, ehe Sie ihn wiederaufladen müssen. Einem schnellen Kapazitätsverlust können Sie durch einen sachgemäßen Ladevorgang, wie im letzten Abschnitt beschrieben, entgegenwirken. Durch die geringere Belastung auf den Elektroden steigt die Langlebigkeit. Dennoch tritt nach mehreren Hundert Ladezyklen ein deutlicher Schwund der Kapazität ein. Bereits an dieser Stelle - wenn Sie merken, dass der Akku nicht mehr Ihren Nutzungsanforderungen entspricht, weil er schneller entlädt - empfiehlt sich der Kauf eines neuen Produkts.

Sollten Sie die restlichen Potenziale der Speicherfähigkeit ausnutzen und den Akkumulator auch bei Kapazitätsverlust nach wie vor nutzen wollen, dann ist das nächste Zeichen im Alterungsprozess ein plötzliches Sinken des Ladestands. Wenn der Ladestand bei 90 % angezeigt, Sie den Akkumulator von dem Ladegerät nehmen und der Ladestand urplötzlich um zehn oder 20 % sinkt, ist der späteste Zeitpunkt für einen Akkuwechsel gekommen. Denn die weiteren Entwicklungen können mit einer Wölbung des Akkumulatoren oder einem totalen Defekt nur schlimmere Folgen mit sich bringen. Speziell bei einer Wölbung der Batterie ist sofort von der weiteren Nutzung abzusehen.

Wer nach einigen Hundert Ladezyklen und den ersten Kapazitätsverlusten, die die Qualität der Akkunutzung erheblich mindern, einen Akkuwechsel durchführt, trifft die richtige Entscheidung zum richtigen Zeitpunkt. So bleiben Gefahren infolge veralteter Akkumulatoren erspart.

Risiko #4: Falsche Lagerung

Falsche Lagerbedingungen sind aus zwei Gründen riskant: Zum einen weisen Lithium-Ionen-Akkus eine Temperaturempfindlichkeit auf. Zum anderen sind sie empfindlich gegen Nässe.

Als idealer Temperaturbereich gelten zwischen 5 und 10 °C. In diesem Temperaturbereich sollten Li-Ion-Akkus, sofern Sie längere Zeit ohne Nutzung gelagert werden, bei 40 bis 50 % ihrer eigentlichen Energiekapazität abgelegt werden. Sind sie in Geräten verbaut, müssen die Geräte selbstverständlich abgeschaltet werden. Die Mindesttemperatur von 0 °C sollte beim Lagern nie unterschritten werden, weil sich schädliches Kondenswasser bilden kann.

Hinweis: Auch bei der Nutzung ist die Beachtung der Temperatur für die Pflege eines Akkumulators ausschlaggebend. Im Betrieb darf der Akku zwischen -10 und +55 °C genutzt werden. Das Aufladen sollte bei Temperaturen zwischen 5 und 45 °C erfolgen. Der beste Temperaturbereich bei der Nutzung ist die Raumtemperatur. Temperatursensoren stellen sicher, dass bei deutlichen Temperaturabweichungen keine Schnellladung stattfinden kann.

Eine weitere Gefahr geht von Wasser-Einfluss aus. EinKontakt der Lithium-Ionen-Batterien mit Wasser kann zur Entstehung ätzender Lihitumlauge (LiOH) und leicht brennbaren Wasserstoffs (H2) führen. Die Empfindlichkeit gegenüber Wasser war bei anderen Batterien, wie z. B. den Nickel-Cadmium-Batterien, nicht gegeben. Dies ist der Grund dafür, dass die Hersteller bei Lithium-Ionen-Akkus keinen wässrigen Elektrolyten verwenden. Stattdessen wird von wasserfreien Lösungsmitteln, die in ihrer Gesamtheit als Elektrolytlösung bezeichnet werden, Gebrauch gemacht. Im Elektrolyten sind Lösungsmittel sowie Salze zur Leitung enthalten.

FAQ-Bereich

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Bei der Lithium-Ionen-Technologie werden die beiden Elektroden eines Akkumulatoren, die Kathode und Anode, durch einen Elektrolyten getrennt. Beim Entladen wandern Elektronen von der Anode zur Kathode, wodurch Strom fließt. Dafür wandern als Ausgleich in Akkus Lithium Ionen aus der Anode zur Kathode. Dort werden sie gespeichert. Beim Ladevorgang entsteht im Gegensatz zum Entladen Spannung von außen, die einen Elektronenüberschuss in der Anode zur Folge hat. Nun wechseln in Akkus Lithium Ionen die Elektrode, woraufhin sie in der Anode speichern, ehe sich bei der Entladung im nächsten Einsatz derselbe beschriebene Stromkreis wiederholt.

Warum wird Lithium in Akkus verwendet?

Das Lithium-Metall in Akkus ermöglicht eine höhere Energiedichte, als in anderen Batterien möglich war. Das Kathodenmaterial bestimmt darüber, bis zu wie viele Wattstunden pro Kilogramm in einer Li-Zelle gespeichert werden können. Weil Nickel-Cadmium-Batterien als Folge eines europäischen Übereinkommens verboten sind, bestehen zudem nicht mehr viele Alternativen zum Einsatz eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Die Wissenschaft forscht zwar nach profitableren und leistungsstärkeren Technologien, auf lange Sicht aber führt kein Weg an den Li-Ion-Akkus mit deren hohen Energiedichten vorbei. Ein weiteres Argument für den Einsatz des Lithiums ist in den weniger schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt als bei NIMH-Akkus zu finden.

Wie viele Ladezyklen hat ein Lithium-Ionen-Akkumulator?

Falls Akkus Lithium-Ionen enthalten, geht man von 500 bis 1.000 Ladezyklen aus. Nach Verbrauch dieser Ladezyklen ist die Lebensdauer des Li-Ion-Akkus nicht vorbei. Er ist danach bis schätzungsweise 80 % seiner Akkukapazität aufladbar. Mit der Wahrnehmung weiterer Ladezyklen reduziert sich die Langlebigkeit, sodass sich die Nutzung nicht mehr lohnt.

Haben Lithium-Ionen-Akkus einen Memory-Effekt?

Fast alle Lithium-Batterien haben keinen Memory-Effekt, wie er bei anderen älteren Batterie-Typen auftritt. In den 60er Jahren entdeckten Ingenieure der NASA, dass die Batterien, die sie nutzten, nach mehreren Teilentladungen irgendwann nur so weit aufgeladen werden konnten, wie es bisher nach den Teilentladungen üblich war. Bei einer kompletten Entladung war es im Anschluss nicht mehr möglich, sie über das Niveau des Teilladens hinaus zu laden. Die Batterie merkte sich also die benötigte Ladung und ließ sich nicht mehr komplett aufladen. Dieser Effekt ist nur bei dem Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator zu beobachten.

Wie viel Lithium ist im Handy Akku?

In den neuesten Smartphones werden wenige Gramm Lithium eingesetzt. Zum Vergleich: In einem Laptop sind es bereits 200 Gramm, während in einem E-Auto die Lithium-Ionen-Akkus bis zu 22 Kilogramm enthalten. Somit richtet sich die Menge an Lithium nach der Größe des Endgeräts und der erforderlichen Energie für dessen Betrieb.

Kann ein Lithium-Ionen-Akkumulator auslaufen?

Im Gegensatz zu älteren Akkumulator-Technologien weisen Li-Ion-Akkus nach ihrer Lebensdauer nicht das Risiko auf, auszulaufen. Der Elektrolyt besteht nämlich nicht aus einer korrosiven Säure. Allerdings kann es während der Nutzungszeit passieren, dass beim Einsatz sowie außerhalb des Einsatzes die Akkus auslaufen. Dies liegt an möglichen Konstruktionsfehlern der Geräte oder Akkus, unsachgemäßer Behandlung durch Anwender oder Gewalteinwirkung auf das Gerät.

Welches Ladegerät kann ich zum Laden von Li-Ion Akkus verwenden?

Der Akkumulator fühlt sich am Besten bei Raumtemperatur; sowohl beim Lade- als auch Entladevorgang. Zu hohe Temperaturen zerstören den Akku! Daher ist ein Laden bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Die Akkus werden mit konstanter Spannung geladen, der Ladestrom wird über die Elektronik vom Ladegerät überwacht und korrigiert. Die Ladeschlussspannung liegt bei 4,2 Volt (pro Zelle). Werden die Akkus schon frühzeitiger aus dem Ladegerät entfernt, wird die Lebensdauer verlängert. 

Welche verschiedenen Akkugrößen gibt es und welche Kapazität ist realistisch?

Zellbe-
zeichnung
Realistische
Kapazität
Abmessungen
(ø × H in mm)
Bauform & Hinweise
10180 0,4Ah 10 × 18 wie 25 AAA-Zelle
10280 0,4Ah 10 × 28 wie 23 AAA-Zelle
10440 0,4Ah 10 × 44 wie AAA-Zelle
13450 0,7Ah 13 × 45 für E-Zigaretten
14250 0,3Ah 14 × 25 wie 12 AA-Zelle
14430 0,7Ah 14 × 43 wie 45 AA-Zelle
14500 0,8Ah 14 × 53 wie AA/Mignon Zelle
14650 1,6Ah 14 × 65  
16340 1,0Ah 16 × 34  
16500 1,2Ah 16 × 50  
16650 3,0Ah 16 × 65  
17500 1,2Ah 17,3 × 50 wie A-Zelle
17650 2,5Ah 17 × 65  
18350 1,2Ah 18 × 35  
18500 2,2Ah 18,3 × 49,8  
18650 3,5Ah 18,6 × 65,2 Elektroautos, E-Zigaretten, Taschenlampen
21700 5,0Ah 21 × 70 als Traktionsbatterien von Elektroautos
23430 5,2Ah 23 × 43 wie Sub-C-Zelle
25500 5,0Ah 24,3 × 49,2  
26500 4,0Ah 26 × 50 wie Baby/C-Zelle
26650 5,5Ah 26,5 × 65,4 für Elektroautos
32600 6,0Ah 32 × 61,9 wie Mono/D-Zelle
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Lithium-Ionen-Akkumulator

Lithium-Ionen-Akku Informationen

Eine Lithium-Ionen-Batterie – alternativ auch Lithiumionen-Akku, Li-Ion-Akku oder einfach Lithium-Akku – charakterisiert sich durch eine hohe Energiedichte im Vergleich zu früheren Akkumulator-Typen, wie den Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) und Nickel-Metallhydrid-Akkus (NIMH Akku). Es ist mehr Energie bei gleichzeitig geringerer Masse verfügbar. Aufgrund dieses Vorzugs haben die Lithium-Ionen-Akkus die älteren Akkutechnologien größtenteils abgelöst. Zudem profitiert die Lithium-Ionen-Zelle vom europäischen Übereinkommen, das ein Verbot von NiCd-Batterien zur Folge hatte. Ein Blick in die Tiefe der Thematik zeigt, dass es mehrere Subtypen der Akkus gibt, die sich voneinander unterscheiden. Dieser Artikel klärt Sie zur Vereinfachung der Kaufentscheidung vollumfassend über die Akkutypen auf.

Was ist eine Lithium-Batterie?

Der Begriff Lithium-Ionen-Akkumulator legt lediglich fest, dass in Akkus Lithium-Ionen zwischen den Elektroden wandern. Welche  Elektrodenmaterialien zum Einsatz kommen, variiert hingegen mit dem jeweiligen Li-Ion-Akku. Dies wirkt sich auf Einsatzbereiche, technische Leistungsdaten und Vorsichtsmaßnahmen im Rahmen der Nutzung der Akkutypen aus.

Mitunter folgende Akkutypen exisiteren:

  • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2; vereinzelt: LiCoO 2)

  • Lithium-Mangan-Akkumulator (LiMnO2; vereinzelt: Li M n 2 O)

  • Lithiumtitanat-Akkumulator (Li4Ti5O12)

  • Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC)

  • Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator (NMA)

  • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4)

Die Anode besteht aus einem Lithium-Metalloxid oder Graphit. Meist ist es das Lithium-Cobaltoxid, macnhmal eine Graphitelektrode aus hochwertigem Graphit, die schnelles Laden und eine verbesserte Konsistenz der Qualität begünstigt. Die Katode setzt sich aus den anderen in der Aufzählung genannten Materialien zusammen. Es handelt sich also beispielsweise um eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode bei dem LiFePO4 oder eine Mischung aus Nickel, Mangan und Cobalt bei dem NMC. Das Elektrodenmaterial - oder treffender: das Kathodenmaterial - bestimmt also primär darüber, welche Eigenschaften Lithiumbatterien mit sich bringen.

Um ein Beispiel für die verschiedenen Produkt- und Nutzungseigenschaften der einzelnen LiIon-Akkus zu nennen: Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO 2) weist die bei weitem höchste Energie pro Kilogramm aller Lithium-Akkutypen auf, aber birgt eine erhöhte Brandgefahr. Während die negative Elektrode, die Anode, wie bei fast allen Typen der Li-Ionen-Akkus aus Graphit besteht, setzt sich bei Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren die positive Elektrode, die Kathode, aus dem Material Lithiumcobaltdioxid zusammen. Bei der Überschreitung einer kritischen Temperatur, die bei Überladung auftritt, wird reiner Sauerstoff freigesetzt, der in Kombination mit den Stoffen im Elektrolyten hoch brennbar ist. Dementsprechend ist bei der Nutzung von Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren mehr als bei anderen Typen auf eine sachgemäße Nutzung mit Rücksicht auf Umgebungstemperatur und Ladeprozess Rücksicht zu nehmen. Die Empfehlung, auf minimal 20 % der Akkukapazität zu entladen und auf maximal 80 % zu laden, gilt her besonders. Zu der Akkupflege später mehr.

Wo sind Lithium-Ionen-Akkus drin?

Derzeit finden Lithium-Ionen-Zellen Einsatz in sämtlichen Bereichen, in denen Batterien erforderlich sind. Anfangs beschränkte sich die Nutzung auf Geräte, für die Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien zu groß waren:

  • Smartphones und andere Mobiltelefone

  • Tablets

  • Laptops (Notebooks, Gaming Laptops und weitere)

  • Digitalkameras

  • Tragbare Konsolen

  • Taschenlampen

  • Softairwaffen

Mit der Zeit und der Weiterentwicklung kamen neue Einsatzbereiche hinzu. Ein aktuell populärer und an Bedeutung zunehmender Sektor ist die Elektromobilität. Aus Elektroautos, Pedelecs sowie weiteren Geräten sind sie kaum mehr wegzudenken. Durch die hohe Energiedichte machen sie die Nutzung der Elektroautos und Hybridfahrzeuge überhaupt erst lukrativ. Im Endverbraucherbereich nimmt die Anzahl der Elektronikgeräte mit Lithiumbatterien stetig zu: Überwachungselektronik, nahezu alle Arten von Gartengeräten und Elektrowerkzeugen, Elektrorollstühle sowie zahlreiche weitere Geräte werden mit den Lithiumbatterien ausgestattet. Weitere Nutzungszwecke erschließen sich den Li-Ion-Zellen im RC-Modellbau und Flugmodellbau. Funkferngesteuerte Geräte werden beim Elektromotor entweder mit nicht wiederaufladbaren galvanischen Zellen oder mit Li-Ionen-Akkus ausgestattet.

Bei größeren Geräten oder kleineren Geräten mit hohem Energiebedarf kommen nicht einzelne Akkus bzw. Zellen zum Einsatz. Stattdessen werden Pakete, sogenannten Akkupacks, verbaut. In diese Pakete werden die passenden Batterien vom jeweiligen Batteriehersteller eingefügt. Mal können es sechs Zellen sein; mal zwölf, mal noch mehr oder weniger. Zudem variiert der Zellentyp mit dem jeweiligen Gerät. Diesbezüglich ist eine wichtige Unterscheidung zwischen den Lithium-Polymer-Akkus und der zylindrigen Bausweise zu treffen.

Verschiedene Arten von Akkumulatoren

Die Subtypen der Li-Ion-Akkus weisen Unterschiede in der kommerziellen Verbreitung, den empfohlenen Einsatzgebieten, ihrer Bauweise sowie weiteren Kriterien auf.

Typ

Verbreitung

Risiken

Besonderheiten

Energiedichte (in Wh/kg)

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC)

Bei Antriebsbatterien häufig anzutreffen

Umweltschädlich aufgrund des vergleichsweise hohen Nickel-Anteils

Technisch gesehen sicherer und zugleich preiswerter als andere Typen

bis zu 150

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkumulator (NMA)

Alternative zu den NMC-Antriebsbatterien, aber insgesamt weniger verbreitet

bei mechanischen Schäden ergeben sich Risiken

Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und höhere Umweltfreundlichkeit als die NMC-Variante

240 - 270

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator

Bei autonomen und kleineren Geräten manchmal vorhanden

keine signifikanten; außer bei mechanischen Schäden

Memory-Effekt als Kapazitätsverlust bei Teilentladungen des Akkus vorhanden (negativ für die Lebensdauer)

100 - 120

Lithium-Mangan-Akkumulator

Bei Hochstromeinsätzen üblich

Nur bei mechanischen Schäden durch Gewalteinwirkung

Geringerer Innenwiderstand

 

Lithiumtitanat-Akkumulator

Selten; ergibt aufgrund seiner Eigenschaften bei Einsätzen von Geräten in kalten Regionen Sinn

Keine vorhanden; selbst bei mechanischen Schäden gesichert

Lebensdauer des Akkus fällt besonders lang aus, weil die Bindung des Lithiums im Titanat die Entstehung einer schädigenden Oberflächenschicht verhindert

70 - 90

Lithium-Kobaltoxid-Akkumulator

Gering, weil auf Einsatzgebiete mit außerordentlich hohem Energiebedarf beschränkt

Gefährlich, weil Häufung unkontrollierbarer Reaktionen Brennbarkeit begünstigt 

Höchste Energiedichte aller Lithium-Akkus

bis zu 500

In der Tabelle ist ein Großteil der Subytpen vorhanden, die zurzeit im Einsatz sind. Parallel gibt es weitere Typen, die aktuell auf Forschungszwecke beschränkt sind oder ein Nischendasein fristen. Neben der tabellarischen Unterteilung wird anhand der Bauweisen von Zellen unterschieden. Die wichtigsten Typen nach Bauweise sind die Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Zentrales Merkmal der Lithium-Polymer-Akkus ist die Gestaltung des Elektrolyten, der aufgrund des Aufbaus auf Polymerbasis vielfältige Möglichkeiten im Aufbau der Zelle bietet. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung flacher Zellen (siehe: Flachbauweise zylindrische Zelle). Meist sind die handelsüblichen Artikel ein Li-Polymer-Akkumulator.

Als ergänzende Informationen zur Tabelle sind sicherheits- und leistungstechnische Inhalte näher auszuführen. Dabei sei erwähnt, dass aufgrund der enthaltenen Materialien jeder Akkumulator-Typ Risiken für die Gesundheit aufweist, sofern er in den Körper gelangt. Zudem stehen NMC-Akkumulatoren verstärkt in dem Ruf, durch die Strahlung gesundheitsschädliche Wirkung zu entfalten. Bei einer ausreichenden Distanz zum Körper während des Ladeprozesses des Akkumulatoren sollte dieser Aspekt nicht signifikant ins Gewicht fallen, die Gesundheitsrisiken sind nach jetzigem Stand wahrscheinlich überschaubar.

Die tatsächlichen Energiedichtenwerte eines Akkumulatoren können die in der Tabelle genannten Pauschalwerte unterschreiten. Beim NMA-Akkumulator beispielsweise liegt die Energiedichte je nach Produkt bei 240 bis 270 Wh/kg. Dies setzt aber voraus, dass es sich um zylindrische Akkumulatoren im 18650 Format handelt. Die Energiedichte ist tabellarisch aufgeführt, weil sie besagt, wie viel Wattstunden pro Kilogramm Energie geliefert werden können. Je höher die Energie pro Kilogramm bei einem Akkumulator-Typen liegt, umso kleiner kann er bei gleichzeitig höherer Energiebereitstellung sein. Dies ist der Grund, weswegen bei Platzmangel in Geräten auf die riskanteren und zum Durchlaufen neigenden Li-Cobaltdioxid-Akkumulatoren zurückgegriffen wird.

Hinweise zum Kauf eines Akkus

Auf der Suche nach einem neuen Li-Ion-Akku stellt sich die Frage nach dessen Kompatibilität mit dem jeweiligen Gerät sowie der gewünschten Energiekapazität. Um die Berücksichtigung dieser Aspekte sicherzustellen, sind mitunter die folgenden Kennzahlen beim Kauf eines Li-Ion-Akkus ausschlaggebend:

  • Zellbezeichnung

  • Amperestunden (Ah) und Wattstunden (Wh)

  • Energiekapazität

  • C-Rate

 

Die Zellbezeichnung erfolgt bei den handelsüblichen Li-Ionen-Akkumulatoren, die in einer zylindrischen Form verkauft werden, mittels einer fünfstelligen Zahl. Die ersten beiden Ziffern dieser Zahl geben Aufschluss über den Zelldurchmesser in Millimetern, die folgenden beiden Ziffern über die Länge der Zelle in Millimetern und die fünfte Ziffer steht für die Art der Bauweise; also "0" für den Zylinder. Die besonders weit verbreiteten 18650 Akkus haben demnach einen 18 Millimeter großen Zelldurchmesser und eine Zellenlänge von 65 Millimetern. Diese Akkus kommen in E-Autos, E-Zigaretten und Taschenlampen standardmäßig zum Einsatz. Für Sie ist die Bedeutung dieser Zahlen irrelevant. Sie müssen beim Kauf lediglich wissen, wie der Name der Zellbezeichnung ist und passend dazu das Produkt aussuchen.

Zur Bewertung der Leistungsstärke eines Akkumulatoren eignen sich die Angaben Amperestunden (Ah) und Wattstunden (Wh) der Batteriehersteller. Sie werden in Abhängigkeit von der Voltzahl (angegeben z. B. als 2 V) ermittelt und sagen aus, wie viel Stromstärke in Ampere (A) oder Watt (W) der Akkumulator über die Dauer einer Stunde abgeben kann. Die Wattstunden pro Kilogramm sind als Kaufkriterium für die Verbraucher unwichtig. Es handelt sich in der Forschung und in der Konzeption von Geräten um einen wichtigen Aspekt, um Akkumulatoren mit einer ausreichenden Energie in den Geräten zu verbauen, damit die Verbraucher in der Nutzung ohne häufiges Nachladen adäquat für den jeweiligen Zweck mit Energie versorgt sind.

Die Energiekapazität ist ein einfach greifbares und verständliches Kaufkriterium. Durch die dort stehende Zahl erfahren Sie, wie viel Energie in dem Akkumulator gespeichert ist. Sorgen Sie dafür, dass der von Ihnen gekaufte Akkumulator mindestens die Energiekapazität hat, die Ihre vorige Batterie hatte. Sollte die Energiekapazität noch höher sein, dann ist es besser, weil Sie aufgrund der höheren verfügbaren Energiemenge das Gerät voraussichtlich länger nutzen werden können, ohne nachladen zu müssen.

Die C-Rate informiert darüber, wie stark die Belastung maximal sein darf. Analog dazu gibt die Rate an, wie stark die Batterie maximal entladen werden darf. Um die maximale Belastbarkeit zu ermitteln, muss die Nennkapazität mit der C-Rate multipliziert werden. Im Falle einer Nennkapazität von 2 Ah und einer C-Rate von 40 C würde dies bedeuten, dass der Akkumulator maximal bis 80 Ampere entladen werden dürfte. In der Praxis ist diese Angabe in den meisten Fällen nicht notwendig, weil eine solch hohe Stromabgabe der Geräte aus technischen Gründen nicht möglich ist. Für die wenigen betroffenen Branchen bzw. Nutzer lohnt es sich dennoch, diese Zahl im Auge zu behalten.

Wie gefährlich sind Lithium Ionen Akkus? - Ratschläge zur Akku-Pflege

Wie schädlich ein Li-Ion-Akku ist, hängt von der Art der Verwendung und dem Akkumulatoren selbst ab. Die in Geräten des täglichen Gebrauchs verbauten Batterien sind von Werk aus ungefährliche Akkutypen. Jede Form unsachgemäßer Behandlung aber stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Halten Sie sich an die Angaben vom Hersteller zum Umgang mit dem jeweiligen Li-Ion-Akkus, dann bestehen bei den handelsüblich erhältlichen Produkten keine Sicherheitsbedenken.

Risiko #1: Mechanische Schäden

Wenn ein Akkumulator fällt, angeschnitten, zerlegt oder anderweitig deformiert wird, ist er mechanisch geschädigt.  Schlimmstenfalls kommt es direkt zum unkontrollierten Austritt von Schadstoffen. Einzige Ausnahme bei dem Risiko mechanischer Schäden ist der Lithiumtitanat-Akkumulator. Aufgrund des Titanats ist der Akkumulator selbst bei mechanischen Schäden sicher. Das Titanat bindet das Lithium, sodass keine schädigende Oberflächenschicht entstehen kann. Die Hauptgründe, weswegen Li-Ion-Akkus mit Titanat kaum eingesetzt werden, bestehen in der verringerten Energiedichte sowie den hohen Kosten fürs Material.

Während Sie als Verbraucher durch einen sorgsamen Umgang (Verhindern von Stürzen, Hinlegen statt Werfen u. Ä.) bei allen anderen Akkutypen bereits alles Notwendige für die Schonung des Lithium-Ionen-Akkus tun, sind aktuellForscher des Fraunhofer Instituts damit beschäftigt, andere Schadensmechanismen aufzuklären. Abgesehen von den mechanischen Einwirkungen durch unsachgemäße Behandlung sind Li-Ionen-Akkumulatoren nämlich folgenden weiteren unvermeidbaren mechanischen Einflüssen ausgesetzt:

  • Vibrationen beim Transport zum Händler und Verbraucher

  • Volumenveränderungen der Elektroden beim Laden und Entladen

  • Stöße, Schockimpulse und Vibrationen bei der Produktion

 

Hersteller stellen zwar sicher, dass sich diese Einwirkungen nicht akut schädigend auf die Li-Akkus und Akku-Packs auswirken, aber über die Dauer der Nutzung verteilt scheinen diese Aspekte ebenfalls eine Rolle zu spielen. Die Rolle der aufgezählten natürlichen mechanischen Einflüsse für die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Akkus ist ungeklärt, das Risiko aber schwindend gering. Zudem haben Sie als Verbraucher kaum Einfluss darauf. Lediglich die Volumenänderungen beim Lade- und Entladevorgang können Sie beeinflussen, womit wir beim zweiten Risikoaspekt angelangt sind.

Risiko #2: Unsachgemäßer Ladevorgang

Ein unsachgemäßer Ladevorgang kann zu unumkehrbaren Akkuschäden, Bränden, Kurzschlüssen und Austritt von Gefahrenstoffen führen. Die Einhaltung der von Herstellern in Produktblättern gegebenen Hinweise sorgt für Sicherheit. Nur bei grober Missachtung der Empfehlungen von Herstellern kann es zu einem Defekt und sonstigen Gefahren kommen.

An erster Stelle steht der sachgemäße Ladevorgang, der mit der Nutzung des richtigen Ladegeräts beginnt. Es existieren auf dem Markt verschiedene Geräte zum Laden, die zum Teil dem eigenen Ladegerät zum Verwechseln ähnlich sind. Nutzen Sie nur Ladegeräte, von denen Sie sicher sind, dass diese zu Ihrem Li-Ion-Akkumulator passen. Meistens finden Sie auf der Website der Händler umfassende Akkupacks, die Akkumulatoren und Ladegerät umfassen und vom Gehäuse und der Funktionalität her optimal auf Ihren Akkutyp abgestimmt sind. So kaufen Sie mit dem passenden Akkumulatoren direkt das passende Ladegerät.

Während der Benutzung und des Aufladens ist darauf zu achten, dass bei den Lithium-Ionen-Akkumulatoren der Akkustand auf maximal 20 % sinkt. Es sollte zudem auf maximal 80 % aufgeladen werden. Als ideal werden in Fachkreisen Werte zwischen 30 und 70 % angesehen. Sollten Sie beim Einsatz diese Werte unter- oder überschreiten, ist nicht sofort eine Gefahr gegeben. Es verkürzt sich aber die maximale Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkumulators. Sollte er bereits mehrere Jahre alt sein oder 700 bis 1.000 Ladezyklen hinter sich haben, dann steigt das Risiko auf Tiefentladung. Eine Tiefentladung tritt dann ein, wenn die Entladeschlussspannung unterschritten wird. Lithium-Ion-Akkumulatoren haben eine sogenannte Entladeschlussspannung: Sie liegt bei zwischen 2,5 Volt und 3,3 Volt - es variiert mit dem jeweiligen Akkutypen. Wird bei der Nutzung diese Spannung unterschritten, so kommt es schlimmstenfalls zur Schädigung der Lithium-Ionen-Batterien. Damit dies bei der Nutzung nicht passiert, schalten sich einige Geräte automatisch ab. Beispiel hierfür ist das automatische Abschalten des Smartphones bei einem Prozent restlicher Energie: Nachdem das Smartphone sich abschaltet, ist es möglich, es wieder anzuschalten. Die dadurch gewonnene Kapazität ist jedoch stark begrenzt, die Risiken im Gegenzug aber groß. Ein Kurzschluss sowie die Entstehung von Bränden beim Ladevorgang tiefentladener Lithium-Ionen-Batterien sind die hauptsächlichen Gefahren. Zur Vorbeugung dieses Risikos sind Akkumulatoren immer nur mit den richtigen und funktionierenden Ladegeräten aufzuladen. Alte Akkumualtoren sollten möglichst früh ausgetauscht werden, was uns zum dritten für Sie als Verbraucher relevanten Risiko-Aspekt führt.

Risiko #3: Veralteter Akkumulator

Während die Anforderungen gleich bleiben, verschlechtern sich mit fortlaufender Lebenszeit die Eigenschaften einer Batterie. Beim Prozess der Alterung nimmt die Kapazität ab. Dies merken Sie als Verbraucher als erstes, weil es direkt mit den Nutzungseigenschaften verbunden ist: Sie können den Akku nicht mehr so lange nutzen wie früher, ehe Sie ihn wiederaufladen müssen. Einem schnellen Kapazitätsverlust können Sie durch einen sachgemäßen Ladevorgang, wie im letzten Abschnitt beschrieben, entgegenwirken. Durch die geringere Belastung auf den Elektroden steigt die Langlebigkeit. Dennoch tritt nach mehreren Hundert Ladezyklen ein deutlicher Schwund der Kapazität ein. Bereits an dieser Stelle - wenn Sie merken, dass der Akku nicht mehr Ihren Nutzungsanforderungen entspricht, weil er schneller entlädt - empfiehlt sich der Kauf eines neuen Produkts.

Sollten Sie die restlichen Potenziale der Speicherfähigkeit ausnutzen und den Akkumulator auch bei Kapazitätsverlust nach wie vor nutzen wollen, dann ist das nächste Zeichen im Alterungsprozess ein plötzliches Sinken des Ladestands. Wenn der Ladestand bei 90 % angezeigt, Sie den Akkumulator von dem Ladegerät nehmen und der Ladestand urplötzlich um zehn oder 20 % sinkt, ist der späteste Zeitpunkt für einen Akkuwechsel gekommen. Denn die weiteren Entwicklungen können mit einer Wölbung des Akkumulatoren oder einem totalen Defekt nur schlimmere Folgen mit sich bringen. Speziell bei einer Wölbung der Batterie ist sofort von der weiteren Nutzung abzusehen.

Wer nach einigen Hundert Ladezyklen und den ersten Kapazitätsverlusten, die die Qualität der Akkunutzung erheblich mindern, einen Akkuwechsel durchführt, trifft die richtige Entscheidung zum richtigen Zeitpunkt. So bleiben Gefahren infolge veralteter Akkumulatoren erspart.

Risiko #4: Falsche Lagerung

Falsche Lagerbedingungen sind aus zwei Gründen riskant: Zum einen weisen Lithium-Ionen-Akkus eine Temperaturempfindlichkeit auf. Zum anderen sind sie empfindlich gegen Nässe.

Als idealer Temperaturbereich gelten zwischen 5 und 10 °C. In diesem Temperaturbereich sollten Li-Ion-Akkus, sofern Sie längere Zeit ohne Nutzung gelagert werden, bei 40 bis 50 % ihrer eigentlichen Energiekapazität abgelegt werden. Sind sie in Geräten verbaut, müssen die Geräte selbstverständlich abgeschaltet werden. Die Mindesttemperatur von 0 °C sollte beim Lagern nie unterschritten werden, weil sich schädliches Kondenswasser bilden kann.

Hinweis: Auch bei der Nutzung ist die Beachtung der Temperatur für die Pflege eines Akkumulators ausschlaggebend. Im Betrieb darf der Akku zwischen -10 und +55 °C genutzt werden. Das Aufladen sollte bei Temperaturen zwischen 5 und 45 °C erfolgen. Der beste Temperaturbereich bei der Nutzung ist die Raumtemperatur. Temperatursensoren stellen sicher, dass bei deutlichen Temperaturabweichungen keine Schnellladung stattfinden kann.

Eine weitere Gefahr geht von Wasser-Einfluss aus. EinKontakt der Lithium-Ionen-Batterien mit Wasser kann zur Entstehung ätzender Lihitumlauge (LiOH) und leicht brennbaren Wasserstoffs (H2) führen. Die Empfindlichkeit gegenüber Wasser war bei anderen Batterien, wie z. B. den Nickel-Cadmium-Batterien, nicht gegeben. Dies ist der Grund dafür, dass die Hersteller bei Lithium-Ionen-Akkus keinen wässrigen Elektrolyten verwenden. Stattdessen wird von wasserfreien Lösungsmitteln, die in ihrer Gesamtheit als Elektrolytlösung bezeichnet werden, Gebrauch gemacht. Im Elektrolyten sind Lösungsmittel sowie Salze zur Leitung enthalten.

FAQ-Bereich

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Bei der Lithium-Ionen-Technologie werden die beiden Elektroden eines Akkumulatoren, die Kathode und Anode, durch einen Elektrolyten getrennt. Beim Entladen wandern Elektronen von der Anode zur Kathode, wodurch Strom fließt. Dafür wandern als Ausgleich in Akkus Lithium Ionen aus der Anode zur Kathode. Dort werden sie gespeichert. Beim Ladevorgang entsteht im Gegensatz zum Entladen Spannung von außen, die einen Elektronenüberschuss in der Anode zur Folge hat. Nun wechseln in Akkus Lithium Ionen die Elektrode, woraufhin sie in der Anode speichern, ehe sich bei der Entladung im nächsten Einsatz derselbe beschriebene Stromkreis wiederholt.

Warum wird Lithium in Akkus verwendet?

Das Lithium-Metall in Akkus ermöglicht eine höhere Energiedichte, als in anderen Batterien möglich war. Das Kathodenmaterial bestimmt darüber, bis zu wie viele Wattstunden pro Kilogramm in einer Li-Zelle gespeichert werden können. Weil Nickel-Cadmium-Batterien als Folge eines europäischen Übereinkommens verboten sind, bestehen zudem nicht mehr viele Alternativen zum Einsatz eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Die Wissenschaft forscht zwar nach profitableren und leistungsstärkeren Technologien, auf lange Sicht aber führt kein Weg an den Li-Ion-Akkus mit deren hohen Energiedichten vorbei. Ein weiteres Argument für den Einsatz des Lithiums ist in den weniger schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt als bei NIMH-Akkus zu finden.

Wie viele Ladezyklen hat ein Lithium-Ionen-Akkumulator?

Falls Akkus Lithium-Ionen enthalten, geht man von 500 bis 1.000 Ladezyklen aus. Nach Verbrauch dieser Ladezyklen ist die Lebensdauer des Li-Ion-Akkus nicht vorbei. Er ist danach bis schätzungsweise 80 % seiner Akkukapazität aufladbar. Mit der Wahrnehmung weiterer Ladezyklen reduziert sich die Langlebigkeit, sodass sich die Nutzung nicht mehr lohnt.

Haben Lithium-Ionen-Akkus einen Memory-Effekt?

Fast alle Lithium-Batterien haben keinen Memory-Effekt, wie er bei anderen älteren Batterie-Typen auftritt. In den 60er Jahren entdeckten Ingenieure der NASA, dass die Batterien, die sie nutzten, nach mehreren Teilentladungen irgendwann nur so weit aufgeladen werden konnten, wie es bisher nach den Teilentladungen üblich war. Bei einer kompletten Entladung war es im Anschluss nicht mehr möglich, sie über das Niveau des Teilladens hinaus zu laden. Die Batterie merkte sich also die benötigte Ladung und ließ sich nicht mehr komplett aufladen. Dieser Effekt ist nur bei dem Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator zu beobachten.

Wie viel Lithium ist im Handy Akku?

In den neuesten Smartphones werden wenige Gramm Lithium eingesetzt. Zum Vergleich: In einem Laptop sind es bereits 200 Gramm, während in einem E-Auto die Lithium-Ionen-Akkus bis zu 22 Kilogramm enthalten. Somit richtet sich die Menge an Lithium nach der Größe des Endgeräts und der erforderlichen Energie für dessen Betrieb.

Kann ein Lithium-Ionen-Akkumulator auslaufen?

Im Gegensatz zu älteren Akkumulator-Technologien weisen Li-Ion-Akkus nach ihrer Lebensdauer nicht das Risiko auf, auszulaufen. Der Elektrolyt besteht nämlich nicht aus einer korrosiven Säure. Allerdings kann es während der Nutzungszeit passieren, dass beim Einsatz sowie außerhalb des Einsatzes die Akkus auslaufen. Dies liegt an möglichen Konstruktionsfehlern der Geräte oder Akkus, unsachgemäßer Behandlung durch Anwender oder Gewalteinwirkung auf das Gerät.

Welches Ladegerät kann ich zum Laden von Li-Ion Akkus verwenden?

Der Akkumulator fühlt sich am Besten bei Raumtemperatur; sowohl beim Lade- als auch Entladevorgang. Zu hohe Temperaturen zerstören den Akku! Daher ist ein Laden bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Die Akkus werden mit konstanter Spannung geladen, der Ladestrom wird über die Elektronik vom Ladegerät überwacht und korrigiert. Die Ladeschlussspannung liegt bei 4,2 Volt (pro Zelle). Werden die Akkus schon frühzeitiger aus dem Ladegerät entfernt, wird die Lebensdauer verlängert. 

Welche verschiedenen Akkugrößen gibt es und welche Kapazität ist realistisch?

Zellbe-
zeichnung
Realistische
Kapazität
Abmessungen
(ø × H in mm)
Bauform & Hinweise
10180 0,4Ah 10 × 18 wie 25 AAA-Zelle
10280 0,4Ah 10 × 28 wie 23 AAA-Zelle
10440 0,4Ah 10 × 44 wie AAA-Zelle
13450 0,7Ah 13 × 45 für E-Zigaretten
14250 0,3Ah 14 × 25 wie 12 AA-Zelle
14430 0,7Ah 14 × 43 wie 45 AA-Zelle
14500 0,8Ah 14 × 53 wie AA/Mignon Zelle
14650 1,6Ah 14 × 65  
16340 1,0Ah 16 × 34  
16500 1,2Ah 16 × 50  
16650 3,0Ah 16 × 65  
17500 1,2Ah 17,3 × 50 wie A-Zelle
17650 2,5Ah 17 × 65  
18350 1,2Ah 18 × 35  
18500 2,2Ah 18,3 × 49,8  
18650 3,5Ah 18,6 × 65,2 Elektroautos, E-Zigaretten, Taschenlampen
21700 5,0Ah 21 × 70 als Traktionsbatterien von Elektroautos
23430 5,2Ah 23 × 43 wie Sub-C-Zelle
25500 5,0Ah 24,3 × 49,2  
26500 4,0Ah 26 × 50 wie Baby/C-Zelle
26650 5,5Ah 26,5 × 65,4 für Elektroautos
32600 6,0Ah 32 × 61,9 wie Mono/D-Zelle
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