Das Aufladen von Lithium-Ion-Batterien

Es gibt nur eine Art, Batterien auf Lithium-Basis aufzuladen. Die so genannten 'Wunder-Lade-Geräte', welche, wie gesagt wird, Batterien wieder herstellen und deren Lebenserwartung verlängern können, gibt es nicht für die Lithiumchemie. Niemand kann eine Superschnellladung applizieren. Die Hersteller von Lithium-Ion-Zellen haben äusserst strikte Vorgaben für die Ladeprozedur und die Batterien müssen mit dem richtigen Vorschriften behandelt werden.

Lithium-ion sind einfach zu warten und gebrauchen keine Vorbereitungen, wie es bei den nickel-basierten Batterien der Fall is. Die erste Ladung ist gleich wie die fünfte and die fünfzigste. Anweisungen die verlangen, eine neue Batterie für 8 und mehr Stunden zu landen, führen möglicherweise zu nickel-basierte Batterien zurück.

Die meisten Zellen werden auf 4.20 Volt aufgeladen, mit einer Toleranz von +/-0,05V/Zelle. Ein Aufladen auf nur 4.10 Volt reduziert die Kapazität um 10%, ergibt aber eine grössere Lebenserwartung. Neuere Zellen sind nun in der Lage, auch mit einer Ladung auf 4.20 Volt/Zelle eine gute Anzahl von Ladezyklen zu erzielen. In Bild 1 sind Spannungs- und Stromverlauf einer Lithium-Ion-Zelle während eines Ladevorganges dargestellt.

 Bild 1: Ladevorgang einer Lithium-Ion-Batterie.. Eine Erhöhung des Ladestromes in einem Ladegerät für Lithum-Ion-Batterien, kann die Ladezeit nicht wesentlich verkürzen. Obwohl die Spitzenspannung schneller reicht wird mit einem höheren Strom, benötigt die Volladung mehr Zeit.

Die Ladezeit bei den meisten Ladegeräten beträgt ca. 3 Stunden. Kleinere Batterien, wie für Mobiltelefone eingesetzt, können mit 1C geladen werden, die grösseren Zellen 18650, die für Laptops gebraucht werden, sollten mit 0.8C oder weniger geladen werden. Die Effizienz der Ladung beträgt 99,9% und die Batterien bleiben kühl während dem Ladevorgang. Die Vollladung ist erreicht, sobald die Spannungsschwelle erreicht ist und der Strom auf 3% des eingestellten Wertes gesunken ist, oder annähernd.

Ein Vergrössern des Ladestromes verkürzt jedoch die Ladezeit kaum. Obschon die Spitzenspannung schneller erreicht wird mit einem höheren Ladestrom, dauert das Erreichen der Vollladung länger.

Einige Ladegeräte versprechen eine Schnellladung von Lithium-Ion-Batterien in einer Stunde oder weniger. Solche Ladegeräte überspringen Stufe 2 und gehen direkt auf "Ready / Bereit" am Ende der Stufe 1. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch das Ladeniveau erst auf etwa 75%. Das Erreichen der Vollladung benötigt i.A. zweimal länger als Stufe 1.

Es wird keine Schwebeladung angelegt, da Lithium-Ion-Batterien keine Überladung ertragen. An deren Stelle wird eine kurze Endladephase angefügt, die die kleine Selbstentladung der Batterie und den Strombedarf der Schutzschaltung kompensiert. Diese Endladephase muss möglicherweise alle 20 Tage wiederholt werden, je nach Batterie. Im allgemeinen wird die Ladevorgang aktiv, wenn die offene Klemmenspannung auf 4.05V/Zelle absinkt, und schaltet aus, wenn die Klemmenspannung 4.20V/Zelle erreicht hat.

Was geschieht aber, wenn eine Batterie unbeabsichtigt überladen wird? Lithium-Ion ist gebaut, um sicher zu arbeiten innerhalb ihres normalen Spannungsbereiches; sie wird aber unstabil, wenn sie auf höhere Spannungen aufgeladen wird. Wenn über 4.30V/Zelle aufgeladen wird, entsteht auf der Anode eine metallische Lithiumschicht, das Kathodenmaterial beginnt zu oxidieren, verliert die Stabilität und entwickelt Sauerstoff. Die Überladung führt zu einer Überhitzung der Zelle. Wenn dies unbeachtet bleibt, kann es zu einer Entzündung kommen.
Es werden grosse Anstrengungen unternommen, um Überladungen und Tiefentladungen zu vermeiden. Kommerzielle Lithium-Ion-Batterien enthalten eine Schutzschaltung, welche die Ladespannung auf 4.30V/Zelle begrenzt, 0.1V/Zelle höher, als die Schwellenspannung des Ladegerätes beträgt. Ein Temperaturfühler schaltet den Ladevorgang ab, sobald die Zellentemperatur 90°C erreicht, und ein mechanischer Druckschalter unterbricht definitiv den Ladestromkreis, wenn die Sicherheitsschwelle für den Druck erreicht wird. Ausgenommen davon sind die Spinel-Batterien (auf Magnesiumbasis), welche eine oder zwei kleine Zellen enthalten.

Extrem tiefe Spannungen müssen ebenfalls überwacht werden. Die Schutzschaltung ist derart gebaut, dass sie den Stromkreis auch dann unterbricht, wenn die Batterie unbeabsichtigterweise unterhalb 2.50V/Zelle entladen wird. Bei dieser Spannung wird die Schutzschaltung die Batterie unbrauchbar machen, und ein Aufladen mit Hilfe eines gewöhnlichen Ladegerätes ist nicht mehr möglich.

Es gibt verschiedene Massnahmen um Tiefentladungen zu verhindern. Die Einrichtung schützt die Batterie durch Unterbrechen der Entladung bei Erreichen einer Spannung von 2.7 bis 3.0V/Zelle. Die Batteriehersteller liefern die Batterien mit einer Kapazität von 40% aus, um eine Selbstentladung während der Lagerung zuzulassen. Technisch bessere Batterien beinhalten eine "Weckschaltung", wobei die Schutzschaltung erst dann einen Stromfluss gestattet, nachdem die Batterie mit Hilfe einer kurzen Ladung reaktiviert worden ist. Dies erlaubt eine längere Lagerung.

Trotz all diesen präventiven Massnahmen kommen Tiefentladungen immer wieder vor. Deshalb sind moderne Batterieanalyser (Cadex Serie 7000) mit einer "Weck"-Funktion (Boost) ausgestattet, die einen kleinen Ladestrom liefert, um die Sicherheitsschaltung bei Bedarf zu reaktivieren und um die tiefentladenen Zellen wieder mit Energie zu versorgen. Anschliessend erfolgt eine Vollladung und eine Analyse der Batterie.

Wenn die Zelle während einiger Tage auf einer Spannung von 1.5V/Zelle geblieben ist, sollte jedoch eine Aufladung vermieden werden. Im Innern der Zellen wurden vielleicht durch Kupfer gewisse elektrische Verbindungen aufgebaut, die zu einem teilweisen oder allgemeinen elektrischen Kurzschluss führen können. Die Zelle wird unstabil. Das Aufladen einer solchen Zelle führt zu starker Überhitzung und die Sicherheit kann nicht mehr gewährleistet werden.

Batterieexperten sind sich einig, dass das Laden von Lithium-Ion-Batterien leichter und einfacher ist als bei Batterien auf Nickelbasis. Abgesehen vom Einhalten von kleineren Spannungstoleranzen, kann die Ladeschaltung mit weniger Variablen, die zu berücksichtigen sind, auskommen. Das Feststellen der Vollladung mit Hilfe einer Spannungsbegrenzung und der Beobachtung der Stromsättigung, die bei Vollladung eintritt, ist einfacher als die Analyse von mehreren komplexen Daten, wie sie bei Nickel-Metallhydrid-Batterien produziert werden. Die Ladeströme sind weniger kritisch und können variieren. Ein nur kleiner Strom erlaubt noch immer eine saubere Definition der Vollladung. Die Batterie benötigt einfach einen längeren Ladevorgang. Das Fehlen der letzten kurzen Ladung, sowie der Schwebeladung hilft ausserdem, das Ladegerät zu vereinfachen. Das Beste von allem ist, dass kein Memory-Effekt besteht, sondern dass eigentlich nur die Alterung eine Schwierigkeit darstellt.

Die Ladeprozedur von Lithium-Ion-Polymer ist ähnlich jener von Lithium-Ion. Diese Batterien verwenden ein Gel-Elekrtolyt, um die Leitfähigkeit zu verbessern. In den meisten Fällen verwenden Lithium-Ion und Lithium-Ion-Polymer dieselben Ladegeräte.


Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.