Lithium-Polymer-Akkumulator

Prototyp eines Lithium-Polymer-Akkumulators der NASA

3-Zellen-LiPo für den RC-Modellbau

Ein Lithium-Polymer-Akku (auch LiPoly oder LiPo) ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher (Akkumulator) und eine Ausführung des Lithium-Ionen-Akkus.

Wie bei den meisten Lithium-Ionen-Akkus besteht die negative Elektrode aus Graphit, die positive aus Lithium-Metalloxid. Jedoch enthalten Lithium-Polymer-Akkus keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige Folie vorliegt. Die Komponenten des Akkus – Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt, positive Elektrode – lassen sich preiswert als Schichtfolien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern herstellen. Für Lithium-Polymer-Akkus sind vielerlei Bauformen möglich, auch gewinkelte oder gebogene Formen, wobei meistens doch Rundzellen oder Flachzellen gefertigt werden.

Eigenschaften

Feste Elektrolyt-Folien erreichen eine ausreichend hohe Ionenleitfähigkeit erst ab einer Betriebstemperatur von rund 60 °C. In modernen Lithium-Polymer-Akkus kommt jedoch als Elektrolyt ein Gel zum Einsatz, das bereits bei Raumtemperatur eine ausreichende (Ionen-)Leitfähigkeit besitzt.

Da lithiumgefüllte Kohlenstoffelektroden ein sehr tiefes Potential in der elektrochemischen Spannungsreihe aufweisen, nicht sehr weit weg von den −3,04 Volt des reinen Lithiums, ist eine hohe Potentialdifferenz zu fast jedem Kathodenmaterial gewährleistet. Die Zellspannung liegt je nach verwendetem Material für die positive Elektrode zwischen 3,5 und 4,3 V; die Nennspannung eines solchen Akkumulators beträgt meist 3,7 V.

Da der Elektrolyt bei einem Lithium-Polymer-Akku in einem gelartigem Polymer (Kunststoff) gebunden ist und nicht flüssig wie bei einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku, benötigt der Akku 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: circa 300 W/kg (bis zu 5000 W/kg, Stand: September 2011)

Die anfangs durch die geringen Stückzahlen hohen Preise sind durch Massenproduktion deutlich gesunken. Aufgrund des hervorragenden Leistungsgewichts und der sich stetig verbessernden Belastbarkeit werden sie auch immer häufiger im Modellbau eingesetzt. Für elektrisch betriebene Rennboot-, Auto- und Flugmodelle sind sie inzwischen Standard. Seit 2004 werden elektrische Antriebssysteme mit Lithium-Polymer-Akkus auch bei der F3A-WM erfolgreich verwendet.

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 – daher ist zur Ladung unbedingt ein für diesen Akku konstruiertes beziehungsweise ein spezielles Li-Akku-Ladegerät (I/U-Verfahren) zu verwenden, siehe Artikel Lithium-Ionen-Akku. Entzündungsgefahr und mechanische Belastbarkeit konnten durch hitzebeständige keramische Separatoren deutlich verbessert werden.

Im Handel erhältliche Lithium-Polymer-Akkupacks für Verbrauchergeräte enthalten bereits eine für den jeweiligen Akku entwickelte Schutzschaltung (gegen Unterspannung und Überstrom); das Zell- und Lademanagement (siehe Batterie-Management-System) ist meistens im zugehörigen Gerät integriert, jedoch werden oftmals Zelldaten im Akkupack gespeichert und per SMBus ausgelesen. Das erschwert es, Akkus anderer Hersteller einzusetzen oder Ersatzakkus für ein veraltetes Modell zu finden.

Ladevorgang

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 geeigneten Ladegerät voll geladen und eventuelle Spannungsdifferenzen zwischen den Zellen ausgeglichen (balanciert) werden.

Lithium-Polymer-Akkumulatoren reagieren bei Überladung wesentlich empfindlicher als andere Akkutypen (bis hin zur Zerstörung durch Brand) und werden dadurch unbrauchbar. Als Maximalspannung wird häufig 4,2 V angegeben, als Minimum 3 V. Aufgrund der Gefahren beim Überladen müssen spezielle Ladegeräte verwendet werden.

Da sich bei tiefen Temperaturen generell die Beweglichkeit der Elektronen verringert und viele Lithium-Polymer-Akkumulatoren unterhalb des Gefriepunktes unbrauchbar werden, ist eine 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.

Der Ladevorgang erfolgt üblicherweise nach dem I/U-Verfahren zunächst mit konstantem Strom von typischerweise 1 C (bei geeigneten Zellen bis zu 6 C). Die Abkürzung „C“ steht hier für das Verhältnis von Ladestrom in Ampere geteilt durch die Zellkapazität in Amperestunden und ist damit umgekehrt proportional zur Ladedauer (Hinweis: Mit „Kapazität“ ist hier nicht die Kapazität eines Kondensators mit der Einheit Farad gemeint und mit „C“ nicht die Einheit der elektrischen Ladung Coulomb!). Ein Ladestrom von 0,5 C bedeutet: Eine Zelle, deren Kapazität z.B. mit 2 Ah angegeben ist, wird mit einem anfänglichen Ladestrom von 1 A in etwa zwei Stunden aufgeladen, 1 C: mit 2 A in einer Stunde, 2 C charakterisiert also eine Ladedauer von 0,5 Stunden.

Erreicht eine Zelle die Maximalspannung, wird mit konstanter Spannung weitergeladen (um die Maximalspannung nicht zu überschreiten), wobei der Ladestrom langsam absinkt. Ist er auf ein festgelegtes Minimum (z.B. 5 Prozent des ursprünglichen Ladestroms) gesunken, so gilt die Ladung als beendet und die Zelle als voll.

Im Vergleich zu NiCd- oder NiMH-Akkus haben LiPo-Akkus wie die meisten Lithium-Ionen-Akkus nur eine geringe Selbstentladung und können mehrere Monate ohne nennenswerten Ladungsverlust gelagert werden. Für Langzeitlagerung empfehlen einige Hersteller das (teilweise) Entladen bzw. Laden auf nur 80–90 % und die Lagerung an einem kühlen Ort.

Spannungsangleichung

Wegen Streuungen und Fertigungstoleranzen haben zu einer Batterie in Serie zusammengeschaltete Zellen (im Modellbau üblicherweise 2 bis 6 Stück) nie völlig gleiche Eigenschaften (Kapazität, Selbstentladung, Stromfestigkeit, Alterung, …). Würde das Ladegerät nur die Gesamtspannung aller Zellen messen und danach den Strom regeln, käme es bei den schwächeren Zellen immer wieder zur Überladung und damit weiter verkürzter Leistung und Lebensdauer. Hochwertige Batterien enthalten daher nach Innenwiderstand und Zellkapazität selektierte („gematchte“) Einzelzellen um diese Effekte zu verringern.

Bei kleineren Akkumulatoren im Konsumbereich ist die entsprechende Elektronik oft im Akkugehäuse integriert. LiPo-Akkupacks für den Modellbau verfügen neben den Anschlüssen der in Serie geschalteten Zellen über einen weiteren Steckeranschluss, auf dem jeder Zellenkontakt einzeln herausgeführt ist. Ein sogenannter Balancer (englisch für „Ausgleicher“) misst beim Ladevorgang über diese Leitungen die individuellen Zellspannungen und regelt darauf den Ladestrom für jede Zelle. Damit werden alle Zellen zur vollen Kapazität geladen, ohne einzelne zu überladen. Wegen der geringeren dabei fließenden Ströme können die Kabel für den Balancer mit geringerem Querschnitt ausgelegt werden. Es gibt unterschiedliche Steckertypen.

Bei größeren Zellen wie bei Traktionsbatterien ist der Balancer ein Teil des Batteriemanagementsystem. Dabei gibt es auch die Möglichkeit, während der Entladung die Zellspannungen anzugleichen, um eine unterschiedliche Entladung oder vorzeitige Tiefentladung einzelner Zellen zu verhindern. Bei den meisten Anwendungen wird auf diese Möglichkeit aus Kostengründen verzichtet.

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 billige Elektronik und vor allem 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)
• hochwertiges Batteriemanagementsystem, oft durch den Nutzer nicht beeinflussbar
• Betrieb im optimalen Temperaturbereich, Lagerung bei Nichtgebrauch eher kühl

Aufbau einer Mobiltelefon-Akkueinheit

Akku, nach Entfernen des Kunststoff-Gehäuses

Geöffneter (entladener) Akku

Das Bild rechts 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, Bild oben rechts, liegt die Schutzschaltung frei. 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 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 Akkus muss die gesamte Akkueinheit ausgetauscht werden. Selbst wenn man die Akkueinheit öffnet, ist nicht sichergestellt, dass die Ladeelektronik mit Ersatzakkus unbekannter Spezifikation zusammenarbeitet.

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 ein Elektroauto vom Typ Hotzenblitz aus dem Jahr 1996 getestet worden. Bei den unternommenen Fahrzeugtests sind Reichweiten über 350 km erzielt worden.^[1][2][3][4] 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.^[5]

Die Batterietochter des französischen Mischkonzerns Group Bolloré, die Firma batScap, entwickelte einen Lithium-Polymer-Akkumulator und auf dessen Leistungsfähigkeit ab 2005 ein Elektroauto mit der Bezeichnung Bluecar, welches 2009 auf der Genfer AutoShow präsentiert wurde.

Am 25. Oktober 2010 unternahm ein umgebautes Serienmodell des Audi A2 eine 605 Kilometer lange Rekordfahrt von München nach Berlin. Der Geschäftsführer des im Sommer 2009 gegründeten Berliner Unternehmens DBM Energy hatte nach eigenen Angaben seit 2005 an der Batterie auf Lithium-Metall-Polymer-Basis gearbeitet und die Rekordfahrt zusammen mit Sponsoren und dem Bundeswirtschaftsministerium als Medienereignis organisiert.^[6] Später wurde diese Fahrt vor allem vom ADAC und daraufhin von diversen anderen Medien angezweifelt. Kritikpunkte war die Absage des Notars und das zweifache Verschwinden des Lekker Mobils aus der Sichtweite des Pressebusses.^[7] In späteren Artikeln über die Rekordfahrt wurden weitere ungeklärte Fragen aufgeworfen.^[8] Am 17. Januar 2011 wurde bekannt, dass das Rekordauto am 12. Dezember 2010 bei einem Brand in einer Berliner Lagerhalle vollständig zerstört wurde.^[9] Der ADAC mutmaßte, dass der Akku für den Brand verantwortlich war, und forderte eine sofortige Untersuchung. Nach dieser Nachricht nahm der DBM-Energy-Geschäftsführer in der Wirtschaftswoche ausführlich Stellung zu dem Vorfall. Demnach ^[10] soll sich der Rekordakku zum Zeitpunkt des Brandes nicht im Auto befunden haben; es sei bereits an einem neuen Testfahrzeug gearbeitet worden. Mit diesem neuen Versuchsträger wurde im März 2011 ein Langstreckentest bei der DEKRA durchgeführt und der Akku von der BAM getestet. Am 31. März 2011 berichtete der Tagesspiegel in einem Artikel ^[11] über die bestandenen Tests bei der BAM und DEKRA und über die Brandstiftung in der Berliner Lagerhalle. Der Kolibri-Akku hat die Tests nach dem UN-Prüfhandbuch und den Reichweitencheck nach ECE-R 101 bestanden. Der neu aufgebaute Audi erreichte beim Reichweitencheck trotz kleinerem Akku 455 km, der Wirkungsgrad lag bei 97 Prozent. Umgelegt auf die bei der Weltrekordfahrt angeblich genutzte Batteriekapazität von 98,8 kWh entspräche dies einer Laufleistung von 714 km.^[12] Damit wäre der Kolibri-Akku der erste Lithium-Metall-Polymer-Akkumulator ohne die sonst mit dieser Technologie verbunden Risiken und Nachteile.

Elektrobus

Bolloré entwickelt außerdem einen Lithium-Polymer-Akkumulator für den Microbus Gruau Electrique des französischen Nutzfahrzeugherstellers Group Gruau.

Modellbau

Lithium-Polymer-Akkumulatoren finden in den letzten Jahren 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 Anwendung.

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.

Einzelnachweise

Galvanische Zellen

Primärzellen: Alkali-Mangan-Batterie | Lithiumbatterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Lithium-Mangandioxid-Batterie | Lithium-Thionylchlorid-Batterie | Lithium-Schwefeldioxid-Batterie | Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Kohle-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen: Bleiakkumulator | Natrium-Schwefel-Akkumulator | Nickel-Cadmium-Akkumulator | Nickel-Eisen-Akkumulator | Nickel-Lithium-Akkumulator | Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | Nickel-Zink-Akkumulator | Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator | Lithium-Ionen-Akkumulator | Lithium-Mangan-Akkumulator | Lithium-Polymer-Akkumulator | Lithium-Schwefel-Akkumulator | Silber-Zink-Akkumulator | STAIR-Zelle | Vanadium-Redox-Akkumulator | Zink-Brom-Akkumulator | Zink-Luft-Akkumulator | Zebra-Batterie | Zellulose-Polypyrrol-Zelle | Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
Historische Zellen: Daniell-Element | Gravity-Daniell-Element | Leclanché-Element | Voltasche Säule | Clark-Normalelement | Weston-Normalelement | Zambonisäule
Ausführungen: Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Knopfzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Thermalbatterie
Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)