Lithium-Ionen-Batterien

Der Lithium-Stromspeicher dominiert aktuell den Markt der Heimspeicher für private Photovoltaikanlagen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren, kurz Lithiumionen-Akkus oder Li-Ionen-Akkus, nutzen Lithium-Verbindungen in der negativen und positiven Elektrode sowie im Elektrolyt. Ihre Funktion basiert auf der konstanten Bewegung von ionisiertem Lithium zwischen den Elektroden.

Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie aus, was bedeutet, dass sie bei kompakter Bauweise viel Strom speichern können. Wichtig ist, dass sie weder überhitzt noch überladen werden sollten. Tiefenentladungen auf null Prozent sowie mechanische Beschädigungen können ebenfalls schädlich sein und im schlimmsten Fall in einem Brand enden.

Lithium-Ionen-Akkus sind ähnlich aufgebaut wie Blei-Akkus, unterscheiden sich jedoch im verwendeten Ladungsträger: Beim Laden bewegen sich Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode und verbleiben dort bis zur Entladung. Hochwertige Graphit-Leiter sind häufige Materialien für die Elektroden, es gibt jedoch auch Varianten mit Eisen- oder Kobalt-Leitern. Diese unterschiedlichen Materialien beeinflussen die Spannung des Akkus.

Ein wichtiger Unterschied ist, dass der Elektrolyt in Lithium-Ionen-Akkus wasserfrei sein muss, um eine Reaktion zwischen Lithium und Wasser zu vermeiden. Moderne Lithium-Ionen-Akkus haben kaum noch Memory-Effekte oder Selbstentladungen und behalten ihre Leistung über lange Zeit.

Die chemischen Bestandteile eines Lithium-Ionen-Stromspeichers sind oft Mangan, Nickel und Kobalt. Kobalt ist recht selten und verteuert daher die Akkus. 

Vergleich Blei- und Li-Ionen-Akku

Vor- und Nachteile von Blei-Säure-Batterien

Vorteile:

1. Li-Ionen-Akkus speichern im Vergleich zu anderen Akku-Typen mehr Energie pro Gewicht und Volumen. Dies ermöglicht es ihnen, Geräte mit mehr Leistung zu versorgen oder bei gleicher Leistung kompakter zu sein.

2. Li-Ionen-Akkus haben eine lange Lebensdauer und können mehrere Jahre halten, bevor sie ausgetauscht werden müssen. 

3. Li-Ionen-Akkus entladen sich selbst nur geringfügig, wenn sie nicht in Gebrauch sind. Dies bedeutet, dass sie ihre Ladung über einen längeren Zeitraum halten können.

4. Li-Ionen-Akkus haben keinen Memory-Effekt, was bedeutet, dass sie nicht "geschädigt" werden, wenn sie nicht vollständig entladen werden, bevor sie wieder aufgeladen werden.

5. Li-Ionen-Akkus können im Vergleich zu anderen Akku-Typen schnell geladen werden.

6. Li-Ionen-Akkus werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, von Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen und Werkzeugen.

Nachteile:

1. Li-Ionen-Akkus sind in der Herstellung teurer als andere Akku-Typen.

2. Li-Ionen-Akkus können bei extremen Temperaturen, sowohl Hitze als auch Kälte, ihre Leistung verlieren und ihre Lebensdauer verkürzen.

3. Bei Beschädigung oder unsachgemäßer Verwendung können Li-Ionen-Akkus brennen oder explodieren. Daher verfügen sie über Schutzschaltungen, um dies zu verhindern.

4. Die Herstellung und Entsorgung von Li-Ionen-Akkus kann die Umwelt belasten.

5. Li-Ionen-Akkus altern wie jeder Akku mit der Zeit und verlieren an Kapazität. Die Anzahl der Ladezyklen, die sie durchlaufen können, ist begrenzt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Li-Ionen-Akkus viele Vorteile gegenüber anderen Akku-Typen bieten, wie z. B. hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und geringe Selbstentladung. Sie haben jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. hohe Kosten, Empfindlichkeit gegenüber extremen Temperaturen und Sicherheitsrisiken.

Verschiedene Arten des Li-Ionen-Akkus

(Unterschiede in der Zellchemie)

Nicht alle Lithium-Akkus sind gleich: Es gibt erhebliche Unterschiede in der "Zell-Chemie", also der inneren Zusammensetzung der Speicherzellen.

Je nach Zell-Chemie variieren Lithium-Ionen-Akkus in folgenden Bereichen:

• Sicherheit
• Energiedichte
• Leistungsdichte
• Zyklenfestigkeit
• Preis

Die drei der derzeit gebräuchlichsten Zell-Chemien sind:

Brand- und Explosionsgefahr:

Die Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus sind nicht unbegründet, da es mehrere Ursachen für Brände in diesen Speicherzellen gibt.

Ein Hauptgrund ist Überspannung, bedingt durch die Verschaltung der Zellen in Serie und Parallel. Die Parallelschaltung erhöht die Kapazität, während die Serienschaltung die Spannung steigert. Die Zellen in einer Serienschaltung müssen vom Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht werden, um sicherzustellen, dass sie innerhalb des Spannungsbereichs von 2,5 bis 4,2 Volt bleiben. Wird diese Spannung überschritten, können die Zellen überhitzen und Feuer fangen. Das BMS schaltet den Akku bei zu hoher Spannung ab, um dies zu verhindern.

Eine andere Gefahr ist die Tiefentladung. Wenn die Spannung einer Zelle zu weit absinkt, können interne Schäden entstehen, die zu einem Kurzschluss führen und später einen Brand verursachen können. Auch hier sollte das BMS durch Abschaltung eingreifen.

"Heater-Zellen" stellen eine weitere Gefahrenquelle dar. Diese Zellen werden extrem heiß, wenn sie über eine bestimmte Spannung hinaus geladen werden, insbesondere bei NCA-Zellen (Nickel-Cobalt-Aluminium). Solche Zellen oder externe Wärmequellen können zu einem Thermal Runaway führen, einer exothermen Reaktion mit starker, sich selbst verstärkender Wärmeentwicklung.

Zusammenfassung:

Die Wahl der richtigen Zellchemie für einen Li-Ionen-Akku hängt von den individuellen Anforderungen ab. Wichtige Faktoren sind dabei die benötigte Energiedichte, Lebensdauer, Leistung, Sicherheit und Kosten.

Es gibt innovative Lithium-Speichersysteme, die es ermöglichen, sowohl volle als auch leere Zellen gleichzeitig zu betreiben, indem die Reihenschaltung intelligent gesteuert wird. Zudem existieren modular aufgebaute Speicherlösungen, bei denen die Lithium-Ionen-Akkus herstellerunabhängig ausgetauscht werden können. Dadurch kann der Stromspeicher flexibel an neue Entwicklungen angepasst und kostengünstiger betrieben werden.