Das Schlüsselelement für die Mobilität elektronischer Geräte ist die wiederaufladbare Batterie (Akku). Die wachsende Nachfrage nach einer möglichst langen Autonomie treibt die Forschung in diesem Bereich voran und führt zu neuen technologischen Lösungen.
Als Alternative zu den weit verbreiteten Ni-Cd- und Ni-MH-Batterien wurden zunächst Lithiumbatterien und später die fortschrittlicheren Lithium-Ionen-Batterien eingeführt.
Inhalt
Geschichte
Die ersten Batterien dieser Art wurden in den 1970er Jahren entwickelt. Aufgrund ihrer verbesserten Leistung waren sie sofort gefragt. Die Anode der Zelle wurde aus dem Metall Lithium hergestellt, dessen Eigenschaften es ermöglichten, die Energiedichte zu erhöhen. Auf diese Weise wurden Lithiumbatterien entwickelt.
Die neuen Batterien hatten einen großen Nachteil - ein erhöhtes Explosions- und Entzündungsrisiko. Der Grund dafür war die Bildung eines Lithiumfilms auf der Oberfläche der Elektroden, was zu einer Temperaturinstabilität führte. Bei maximaler Belastung könnte die Batterie explodieren.
Eine Verfeinerung der Technologie führte zum Verzicht auf reines Lithium in den Batteriekomponenten zugunsten der Verwendung von positiv geladenen Ionen. Die Lithium-Ionen-Batterie erwies sich als eine erfolgreiche Lösung.
Dieser Batterietyp weist aufgrund einer etwas geringeren Energiedichte eine höhere Sicherheitsmarge auf, aber dank der Fortschritte in der Technologie konnte dieser Nachteil minimiert werden.
Das Gerät
Bei der Einführung von Lithium-Ionen-Batterien in der Unterhaltungselektronik wurde mit der Entwicklung einer Batterie mit einer Kathode aus Kohlenstoffmaterial (Graphit) und einer Anode aus Kobaltoxid ein Durchbruch erzielt.
Bei der Entladung werden Lithium-Ionen aus dem Kathodenmaterial herausgelöst und in das Kobaltoxid der Gegenelektrode eingebaut; bei der Aufladung läuft der Prozess in umgekehrter Richtung ab. Auf diese Weise erzeugen die Lithium-Ionen den elektrischen Strom, indem sie sich von einer Elektrode zur anderen bewegen.
Li-Ion-Batterien werden in zylindrischer und prismatischer Form hergestellt. Bei der zylindrischen Ausführung werden zwei Bänder mit flachen Elektroden, die durch elektrolytgetränktes Material getrennt sind, aufgerollt und in einem versiegelten Metallgehäuse untergebracht. Das Kathodenmaterial wird auf Aluminiumfolie und das Anodenmaterial auf Kupferfolie aufgebracht.
Das prismatische Design der Batterie wird durch das Übereinanderstapeln rechteckiger Platten erreicht. Diese Form der Batterie ermöglicht es, das Layout des elektronischen Geräts dichter zu gestalten. Prismatische Batterien sind auch mit spiralförmig verdrillten Elektroden erhältlich.
Betrieb und Lebensdauer
Ein langer, zuverlässiger und sicherer Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien hängt von einer ordnungsgemäßen Verwendung ab. Andernfalls verkürzt sich nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern es kann auch zu negativen Folgen kommen.
Operation
Die wichtigste Voraussetzung für den Betrieb von Li-Ion-Batterien ist die Temperatur - eine Überhitzung muss vermieden werden. Hohe Temperaturen können maximale Schäden verursachen, und eine Überhitzung kann sowohl durch eine externe Quelle als auch durch stressige Lade- und Entladepraktiken verursacht werden.
Bei einer Erwärmung auf 45 °C verringert sich beispielsweise die Fähigkeit des Akkus, eine Ladung zu halten, um das Zweifache. Diese Temperatur kann leicht erreicht werden, wenn das Gerät über einen längeren Zeitraum der Sonne ausgesetzt wird oder energieintensive Anwendungen laufen.
Wenn sich das Gerät überhitzt, ist es ratsam, es an einen kühlen Ort zu stellen, vorzugsweise mit ausgeschaltetem und entferntem Akku.
In der Hitze des Sommers sollte der Energiesparmodus des Akkus, der bei den meisten mobilen Geräten verfügbar ist, genutzt werden, um ihn optimal zu nutzen.
Niedrige Temperaturen wirken sich auch negativ auf Li-Ion-Batterien aus, denn bei Temperaturen unter -4°C kann die Batterie nicht mehr ihre volle Kapazität liefern.
Kälte ist jedoch für Li-Ion-Batterien nicht so schädlich wie hohe Temperaturen und verursacht in den meisten Fällen keine dauerhaften Schäden. Obwohl der Akku nach dem Aufwärmen auf Raumtemperatur seine volle Leistung wiedererlangt, sollte der Kapazitätsverlust bei Kälte nicht vergessen werden.
Eine weitere Faustregel für Li-Ion-Batterien ist, dass sie nicht tiefentladen werden dürfen. Viele frühere Generationen von Akkus hatten einen Memory-Effekt, der ein Entladen auf Null und ein anschließendes vollständiges Aufladen erforderte. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist dies nicht der Fall. Gelegentliche vollständige Entladungen haben keine nachteiligen Auswirkungen, aber kontinuierliche Tiefentladungen sind schädlich. Es wird empfohlen, das Ladegerät mit einer Ladestufe von 30 % anzuschließen.
Lebenslang
Die unsachgemäße Verwendung von Li-Ion-Batterien kann ihre Lebensdauer um den Faktor 10 bis 12 verkürzen. Dieser Begriff steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Ladezyklen. Es wird geschätzt, dass Li-Ion-Batterien im vollständig entladenen Zustand zwischen 500 und 1000 Zyklen lang verwendet werden können. Ein höherer Prozentsatz der verbleibenden Ladung vor dem nächsten Aufladen verlängert die Lebensdauer der Batterie erheblich.
Da die Lebensdauer von Li-Ion-Batterien in hohem Maße von den Betriebsbedingungen abhängt, ist es nicht möglich, eine genaue Lebenserwartung für diese Batterien anzugeben. Im Durchschnitt kann man von einer Batterie dieses Typs eine Lebensdauer von 7-10 Jahren erwarten, wenn die erforderlichen Bedingungen eingehalten werden.
Aufladevorgang
Vermeiden Sie es, den Akku während des Ladevorgangs übermäßig lange an das Ladegerät anzuschließen. Der Lithium-Ionen-Akku funktioniert normal mit einer Spannung von höchstens 3,6 Volt. Ladegeräte legen während des Ladevorgangs 4,2 V an den Batterieeingang an. Wird die Ladezeit überschritten, können in der Batterie unerwünschte elektrochemische Reaktionen einsetzen, die zu einer Überhitzung mit allen daraus resultierenden Folgen führen.
Die Entwickler haben ein solches Merkmal berücksichtigt - die Sicherheit des Ladevorgangs moderner Li-Ion-Akkus wird durch eine spezielle eingebaute Vorrichtung kontrolliert, die den Ladevorgang stoppt, wenn die Spannung das zulässige Niveau überschreitet.
Für Lithiumbatterien ist eine zweistufige Lademethode der richtige Weg, um sie zu laden. In der ersten Stufe wird die Batterie durch Bereitstellung eines konstanten Ladestroms geladen, in der zweiten Stufe wird eine konstante Spannung bereitgestellt und der Ladestrom schrittweise reduziert. Dieser Algorithmus ist in den meisten Haushaltsbatterieladegeräten hardwaremäßig implementiert.
Lagerung und Entsorgung
Eine Lithium-Ionen-Batterie kann lange gelagert werden, mit einer Selbstentladung von 10-20 % pro Jahr. Die Eigenschaften des Produkts (Degradation) verschlechtern sich jedoch mit der Zeit.
Die Batterie sollte bei +5°C bis +25°C gelagert und vor Feuchtigkeit geschützt werden. Vermeiden Sie starke Erschütterungen, Stöße oder den Kontakt mit offenen Flammen.
Das Recycling von Lithium-Ionen-Zellen muss von entsprechend zugelassenen Recyclinganlagen durchgeführt werden. Nahezu 80 % der Materialien von recycelten Batterien können bei der Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden.
Sicherheit
Ein Lithium-Ionen-Akku birgt selbst in seiner Miniaturgröße die Gefahr einer explosiven Selbstentzündung. Die besonderen Eigenschaften dieses Batterietyps erfordern Sicherheitsmaßnahmen in allen Phasen, von der Entwicklung über die Produktion bis zur Lagerung.
Um die Sicherheit von Li-Ion-Batterien zu verbessern, wird bei der Herstellung eine kleine elektronische Platine in die Batterie eingebaut, die ein Kontroll- und Managementsystem enthält, das Überlastung und Überhitzung verhindern soll. Der elektronische Mechanismus erhöht den Widerstand des Stromkreises, wenn die Temperatur über einen bestimmten Grenzwert steigt. Einige Batteriemodelle haben einen eingebauten mechanischen Schalter, der den Stromkreis öffnet, wenn der Druck in der Batterie ansteigt.
Häufig sind die Batteriegehäuse auch mit einem Sicherheitsventil ausgestattet, das im Notfall den Druck ablässt.
Vor- und Nachteile von Lithiumbatterien
Die Vorteile dieses Batterietyps sind:
- hohe Energiedichte;
- kein Memory-Effekt;
- lange Nutzungsdauer;
- geringe Selbstentladung;
- keine Wartung erforderlich;
- keine Wartung erforderlich; keine Wartung erforderlich; keine Wartung erforderlich.
Die Lithiumbatterie hat auch Nachteile, wie zum Beispiel
- Gefahr der Selbstentzündung;
- höhere Kosten als seine Vorgänger;
- die Notwendigkeit eines eingebauten Controllers;
- Unerwünschtheit der Tiefentladung.
Die Technologie der Li-Ion-Batterien wird ständig verbessert, viele Mängel gehören allmählich der Vergangenheit an.
Anwendungen
Die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien bestimmt ihr Hauptanwendungsgebiet - mobile elektronische Geräte: Laptops, Tablets, Smartphones, Camcorder, Kameras, Navigationssysteme, verschiedene eingebaute Sensoren und andere Produkte.
Der zylindrische Formfaktor dieser Batterien ermöglicht ihre Verwendung in Taschenlampen, Festnetztelefonen und anderen Geräten, die bisher Energie aus Einwegbatterien verbrauchten.
Das Konstruktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie hat mehrere Varianten, die sich durch die Art der verwendeten Materialien unterscheiden (Lithium-Kobalt, Lithium-Mangan, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid usw.). Jeder findet seine eigene Anwendung.
Neben der mobilen Elektronik wird die Gruppe der Lithium-Ionen-Batterien in folgenden Anwendungen eingesetzt
- handgeführte Elektrowerkzeuge;
- tragbare medizinische Geräte;
- unterbrechungsfreie Stromversorgungen;
- Sicherheitssysteme;
- Notlichtmodule;
- Solarkraftwerke;
- Elektroautos und Elektrofahrräder.
In Anbetracht der ständigen Fortschritte in der Lithium-Ionen-Technologie und des Erfolgs von Batterien mit hoher Kapazität und kleinen Abmessungen können wir davon ausgehen, dass sich die Anwendungsbereiche für solche Batterien weiter ausweiten werden.
Kennzeichnung
Lithium-Ionen-Batterien sind auf dem Außengehäuse des Produkts gekennzeichnet, und die Kennzeichnung kann von Größe zu Größe stark variieren. Ein gemeinsamer Standard für alle Batteriehersteller ist noch nicht entwickelt worden, aber es ist möglich, die wichtigsten Parameter selbst zu verstehen.
Die Buchstaben in der Reihe geben den Zellentyp und die verwendeten Materialien an: Der erste Buchstabe I steht für die Lithium-Ionen-Technologie, der nächste Buchstabe (C, M, F oder N) gibt die chemische Zusammensetzung an, der dritte Buchstabe R bedeutet, dass die Zelle wiederaufladbar ist.
Die Zahlen in der Größenbezeichnung geben die Größe der Batterie in Millimetern an: die ersten beiden Zahlen geben den Durchmesser und die beiden anderen die Länge an. Zum Beispiel bedeutet 18650, dass der Durchmesser 18 mm und die Länge 65 mm beträgt, 0 bedeutet den zylindrischen Formfaktor.
Die letzten Buchstaben und Zahlen in der Reihe sind herstellerspezifische Kapazitätskennzeichnungen. Auch für die Angabe des Herstellungsdatums gibt es keine einheitlichen Standards.
