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Lithium-Batterien: Leistungsstarke Kraftwerke mit langer Lebensdauer

Ungeachtet ihrer vergleichsweise recht jungen Technologie schickt sich die Lithium-Batterie an, dem Marktführer Alkali-Mangan-Batterie mächtig Konkurrenz zu machen. 1990 hatte Sony das Leichtmetall erstmals für den Betrieb einer Videokamera kommerziell eingesetzt. Aktuell bilanziert die Lithium-Batterie bei den Gerätebatterien das größte Marktwachstum - und alle Prognosen deuten auf einen weiter steigenden Bedarf hin. Der Boom hat natürlich seinen Grund: Lithium ist das leichteste der festen Elemente im Periodensystem und verfügt gleichzeitig über das niedrigste elektrochemische Potential aller Metalle. Das bedeutet: In Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien lässt sich eine höhere Energiedichte erzielen. Aufgrund der hohen Zellspannung benötigt die Li-Batterie zudem wenig Volumen - und eignet sich daher hervorragend für Anwendungen in Smartphones, Kameras, Notebooks und ähnlichem.

Wie bei Batterien im Allgemeinen, wird auch der Begriff Lithium-Batterie umgangssprachlich zumeist synonym für zwei verschiedene Speichersysteme verwendet. Li-Metall-Batterien sind jedoch Primärzellen, die nicht noch einmal aufgeladen werden können. Li-Ionen-Batterien sind hingegen Sekundärzellen, also wiederaufladbar und damit klassische Akkus.

Was genau steckt in einer Lithium-Batterie?

Li-Batterien sind in unterschiedlichen Typen, Bauformen und Größen am Markt erhältlich. Sie sind durch diese Vielfalt für ein breites Spektrum an Anwendungen geeignet. Die Skala reicht von mobilen Kleingeräten und Gartengeräten sowie Pedelecs, über Haushaltsgeräte und Power Tools für den Heimwerker- sowie den industriellen Bereich bis hin zu Gabelstaplern und Elektroautos. Die Forcierung und der Ausbau der gesamten Elektromobilität wäre ohne die Nutzung dieses Leichtmetalls nicht möglich.

Generell wird nach den verschiedenen Kathodenmaterialien separiert:

O Li-Mangandioxid-Batterien (Li-MnO2, Primärzellen) sind sehr weit verbreitet und stecken bevorzugt in mobilen Kleingeräten. Sie dienen häufig auch als Back-up-Zelle für Speicherchips. Dieser Typ ist relativ kostengünstig, weist eine hohe Energiedichte und ein gutes Temperaturverhalten auf.

O Li-Schwefeldioxid-Batterien (Li-SO2, Primärzellen) finden fast ausschließlich im militärischen Sektor Verwendung.

O Li-Thionylchlorid-Batterien (Li-SOCI2, Primärzellen) dienen vor allem der Versorgung der Elektronik im industriellen Bereich, in der öffentlichen Sicherheitstechnik und garantieren das Funktionieren von Verbrauchszählern. Eine geringe Selbstentladung und eine höhere Energiedichte als bei vergleichbaren Bautypen zeichnen sie für den langfristigen Einsatz aus.

O Li-Kohlenstoffmonofluorid-Batterien (Li-CFn, Primärzellen) verfügen über eine höhere Strombelastbarkeit und liegen preislich über dem Niveau der Li-Mangandioxid-Batterien. Sie werden in Bereichen genutzt, in denen das Leistungskriterium über dem Kostenaspekt rangiert., beispielsweise in medizinischen Geräten.

O Li-Iod-Batterien (Li-l2, Primärzellen) sorgen für den einwandfreien Betrieb von Herzschrittmachern.

O Li-Cobaltdioxid-Batterien (Li-CoO2, Sekundärzellen) sind die gängigen Lithium-Ionen-Batterien für Mobiltelefone und Notebooks.

O Li-Eisenphosphat-Batterien (Li-FePO4, Sekundärzellen) werden nahezu ausnahmslos für Hochleistungsanwendungen (auch im industriellen Bereich) genutzt. Sie gelten als besonders eigensicher. Das heißt: Entzündung und Brand werden so gut wie ausgeschlossen.

O Li-Polymer-Batterien (Li-MOx, Sekundärzellen) erlauben aufgrund ihres dünnen Zellenaufbaus den Einsatz in Notebooks, PDAs und im Modellbau.

Lithium reagiert schnell und heftig mit Wasser - oder auch schon mit feuchter Luft. Deshalb können in Li-Batterien ausnahmslos nur nicht-wässrige/wasserfreie Elektrolytlösungen verwendet werden. Die negative Li-Anode enthält zur Verbesserung der Leitfähigkeit zumeist noch Graphit.

Was sind die besonderen Vorteile einer Lithium-Metall-Batterie?

Li-Batterien schneiden im Vergleich zu beispielsweise Alkali-Mangan-Batterien vor allem durch ihre höhere Energiedichte und ihre spezifische Energie besonders gut ab. Aufgrund ihrer hohen Zellspannung sind sie besonders leistungsfähig. Das meint: Es werden grundsätzlich weniger Verbindungen zwischen Elektronik und Zellen benötigt, wenn eine einzelne Li-Batterie mit ihrer hohen Zellspannung diese Aufgabe allein übernehmen kann. Li-Batterien lassen sich zudem sehr gut lagern. Wobei die geringe Selbstentladung dafür sorgt, dass die Zellen auch nach längerer Zeit (bis zu sechs Jahren) noch über mehr als 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität verfügen. Und: Sie tolerieren ein breites Temperaturspektrum. Kritisch wird es erst bei Umgebungstemperaturen von weniger als minus 20 Grad oder mehr als plus 50 Grad. Li-Batterien daher besser im Winter nicht in der Gartenlaube lagern oder bei Sommer-Sonnenschein direkt hinter Windschutzscheibe im Auto aufbewahren.

Lithium bietet sich mit diesem Kennzeichen-Spektrum für die Verwendung in Knopfzellen geradezu an. Die Li-Winzlinge sind leicht und leistungsfähig und sie nehmen es nicht übel, wenn sie längere Zeit einmal nicht genutzt werden, weil sie ihre Power dann solange einfach für sich behalten. Für Li-Knopfzellen konnten sich spezielle Herstellernamen am Markt bislang kaum durchsetzen. Stattdessen dient die Typ-Bezeichnung als Klassifizierung:
o Das CR steht für Lithium-Rundzelle,
o die zwei folgenden Zahlen geben den Durchmesser in Millimeter an, also beispielsweise 20,
o die beiden letzten Ziffern stehen für die Höhe 1/10 Millimetern, zum Beispiel 32.

Wodurch zeichnet sich die Lithium-Ionen-Batterie aus?

Die Li-Ionen-Batterie, im allgemeinen Sprachgebrauch eher Li-Ionen-Akku genannt, wird ebenso wie die Li-Primärzelle, bevorzugt für ihre höhere Energiedichte wertgeschätzt. Der Akku erzielt bei kleiner Masse eine hohe Leistung. Die geringe Selbstentladung bewirkt, dass selbst bei längerer Nichtnutzung nahezu immer noch eine Restspannung verbleibt. Li-Ionen-Akkus "leiden" zudem nicht unter dem sogenannten Memory-Effekt: Demnach soll der Akku eines Gerätes grundsätzlich erst dann wieder aufgeladen werden, wenn er nahezu erschöpft ist. Wird er schon bei einer Teilentladung wieder angeschlossen, "merkt" sich der Akku den bei der Ladung benötigten Energiebedarf - und stellt zukünftig auch nur noch diesen zur Verfügung. Bei Li-Ionen-Akkus greift dieser Mechanismus nicht - sie können nach Bedarf und Belieben geladen werden. Wichtig für die Zukunft der Elektroautomobilität ist auch der Umstand, dass Li-Ionen-Akkus hohe Entladeströme nicht übelnehmen, gleichzeitig aber auch für die Schnellladung gerüstet werden können. Die Li-Ionen-Batterie kann außerdem vollständig entladen werden, ohne dass ihre Lebensdauer oder der Ladezyklus Schaden nehmen.

O Li-Ionen-Akkus verfügen über eine sehr lange Lebensdauer: Sie können durchschnittlich 2000mal geladen werden. Ihre geringe Selbstentladung garantiert die Speicherung der Elektrizität bis zu zehn Jahren. Der Verlust beträgt pro Monat durchschnittlich nur drei bis fünf Prozent. Li-Ionen-Akkus sind kostengünstig und verhalten sich in einem großen Temperaturbereich stabil.

Was ist eigentlich ein Lithium-Polymer-Akku?

Der Li-Polymer-Akku ist im Grunde genommen eine Weiterentwicklung des Li-Ionen-Akkus. Wie dieser arbeitet er auf Basis des Leichtmetalls und Graphit - mit dem großen Unterschied, dass in ihm keine flüssigen Elektrolyten, sondern eine festere Polymersubstanz zur Anwendung kommt. Dadurch können ganz unterschiedliche Formen von Akkus realisiert werden, beispielsweise dünne Schichtfolien. Die verwendeten Komponenten erlauben also mannigfaltige Anwendungen, die gleichwohl mit einer hohen Zellspannung, einer großen Leistung und einer langen Lebensdauer überzeugen. Wegen des geringen Gewichts werden Li-Polymer-Akkus zum Beispiel gerne im Modellbau eingesetzt. Allerdings reagieren diese Akkus sehr, sehr empfindlich auf Überladungen.

O Li-Polymer-Akkus sind thermisch nicht sehr stabil. Bei Temperaturen über 60 Grad oder Minuswerten unter 0 Grad werden die Zellen des Akkus geschädigt und gegebenenfalls sogar irreparabel zerstört. Langes Lagern in ungeladenem Zustand vertragen sie gleichfalls nur schlecht. Li-Polymer-Akkus müssen also "pfleglich" behandelt werden.

Wie sollten Lithium-Batterien gelagert werden?

Die beste Betriebstemperatur für Li-Batterien liegt in der Spanne von 20 bis 30 Grad Celsius. In diesem Spektrum generieren sowohl die Primär- als auch die Sekundärzellen ihre höchste Leistungsfähigkeit bei minimalem "Verschleiß". Deutliche Minustemperaturen (unter minus 20 Grad) können den Zellen Schaden zufügen, im schlimmsten Fall zur Abscheidung von Lithium an der Anode führen und einen inneren Kurzschluss auslösen.

Temperaturen jenseits der 60 Grad sind unbedingt zu vermeiden. Sie begünstigen einen Druckaufbau in der Zelle. In Folge können brennbare Gase austreten, es kann zu einem Zellenbrand kommen - bis hin zu einem explosionsartigen Abbrennen der gesamten Batterie. Es ist daher im Wortsinn brandgefährlich, das Handy oder den Laptop im Sommer in der Sonne liegen zu lassen - hier entstehen schnell Temperaturen um die 80 Grad. Werden diese "gekochten" Geräte dann noch eingeschaltet, erwärmen sie sich zusätzlich.

Welche Sicherheitshinweise gelten für Li-Batterien?

Li-Batterien überzeugen bei sachgemäßer Handhabung durch eine höhere Energiedichte als vergleichbare Alkali-Mangan-Batterien. Aufgrund ihrer hohen Zellspannung sind sie trotz geringer Masse sehr leistungsfähig. Li-Eisenphosphat-Batterien haben das gefürchtete "Auslaufen" für immer in die Annalen der Batterie-Geschichte verbannt. Trotzdem: Die fantastischen Eigenschaften von Lithium und Graphit bergen auch ein gewisses Gefahrenpotential - und zwar immer dann, wenn Batterien oder Akkus beschädigt oder falsch gelagert werden. Beachten Sie daher bitte die einschlägigen Sicherheitshinweise:

O Vermeiden Sie jede Art von mechanischer Beschädigung der Li-Batterie.
O Verformte und/oder defekte Batterien und Akkus am besten sofort zu den Sammelstellen im Handel oder bei der Kommune bringen. Nach Möglichkeit vorher vorsichtig die Pole abkleben.
O Lagern Sie Li-Batterien niemals in feuchten Räumen oder bewahren Sie sie bei extrem hohen oder sehr niedrigeren Temperaturen auf.
O Achtung: Brennende lithiumhaltige Batterien und Akkus setzen reizende, ätzende und giftige Dämpfe frei, die gesundheits- und umweltschädlich sind. Rufen Sie die Feuerwehr und geben Sie bereits am Telefon den Hinweis auf einen Batteriebrand.
O Li-Ionen-Akkus werden im internationalen Transportrecht als "Gefahrgut" eingestuft und müssen dementsprechend für den Transport gesichert werden. Ausgenommen von den strikten Vorschriften sind Kleinstmengen, die beispielsweise beim Versand eines Handys mit DHL oder UPS anfallen. Ein entsprechende Kennzeichnung muss trotzdem auf dem Paket angebracht werden.
O Entsorgen Sie Batterien und Akkus, gleichen welchen Typs, niemals im normalen Hausmüll.

Haben Sie weitere Fragen? Wir helfen Ihnen gerne und kompetent weiter.

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