Ist Lithium-Ion die ideale Batterie?

Während vieler Jahren war Nickel-Kadmium die einzige taugliche Batterie für tragbare Anwendungen von drahtloser Kommunikation bis zu tragbaren Computern. Um 1990 erschienen Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ion, die beide höhere Kapazitäten anboten. Beide Chemien bekämpften sich Kopf an Kopf, und jede beanspruchte die bessere Leistung und die kleineren Abmessungen für sich. Heute hat die Lithium-Ion die Nase klar vorne und ist zur am meisten erwähnten Batterie geworden. Es ist die am meisten wachsende und die viel versprechendste Batteriechemie.

Die Lithium-Ion-Batterie

Die ersten Arbeiten mit Lithiumbatterien begannen 1912 unter G.N. Lewis, aber erst in den frühen 70ern wurde die erste wiederaufladbare Lithiumbatterie kommerziell lieferbar. Lithium ist das leichteste Metall, hat das grösste elektrochemische Potenzial und liefert die grösste Energiedichte pro Gewichtseinheit.

Verschiedenen Versuche, eine wiederaufladbare Lithiumbatterie zu entwickeln, schlugen fehl, hauptsächlich wegen Sicherheitsproblemen. Auf Grund der natürlichen Instabilität von metallischem Lithium, speziell während der Ladung, bewegte sich die Entwicklung in Richtung einer nicht metallischen Lithiumbatterie, unter Verwendung von Lithium-Ionen. Auch wenn diese Batterie eine etwas kleiner Energiedichte liefert als metallisches Lithium, Lithium-Ion ist eine sichere Substanz, wenn gewisse Vorkehren getroffen werden während der Ladung und Entladung. 1991 brachte Sony Corporation die erste Lithium-Ionen-Batterie kommerziell auf den Markt. Andere Hersteller folgten.

Die Energiedichte von Lithium-Ion ist typischerweise etwa das Doppelte einer standardmässigen Nickel-Kadmium-Batterie. Zudem gibt es noch Potenzial für höhere Energiedichten. Die Belastungscharakteristik ist recht gut, und sie verhält sich ähnlich wie Nickel-Kadmium in bezug auf die Entladung. Die hohe Zellenspannung von 3,6V erlaubt Batterien zu bauen mit nur 1 Zelle. Die meisten heutigen Mobiltelefone arbeiten mit einer Einzelzelle. Eine Batterie auf Nickelbasis benötigt 3 in Serie geschaltete 1,2V-Zellen.

Eine Lithium-Ion-Batterie benötigt nur wenig Wartungsaufwand, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemien nicht für sich beanspruchen können. Da kein Memory-Effekt auftritt, ist kein regelmässig durchgeführter Lade/Entlade-Zyklus nötig, um die Lebenserwartung der Batterie zu verlängern. Dazu kommt, dass die Selbstentladung weniger als die Hälfte einer Nickel-Kadmium-Batterie beträgt, was die Lithium-Ion-Batterie besonders für moderne Fernsteuerungen tauglich macht. Lithium-Ion-Zellen verursachen nur geringe Schäden beim Entsorgen.

Trotz all diesen allgemeinen Vorteilen, hat die Lithium-Ion-Batterie auch ihre Nachteile. Sie ist empfindlich und benötigt eine Schutzschaltung, um die nötige Sicherheit zu gewährleisten. In die Batterie eingebaut, begrenzt die Schutzschaltung die Spitzenspannung jeder Zelle während dem Ladevorgang und verhindert, dass die Zellenspannung zu tief absinkt beim Entladen. Zusätzlich wird die Zellentemperatur überwacht, um extreme Temperaturen zu verhindern. Der maximale Lade- und Entladestrom ist zwischen 1C und 2C begrenzt. Dank diesen Vorkehren wird eine Lithiummetallisierung, die bei Überladung entstehen kann, praktisch eliminiert.

Die Alterung betrifft die meisten Lithium-Ion-Batterien, und viele Hersteller vermeiden es, über dieses Problem zu sprechen. Eine Verschlechterung der Kapazität ist bereits nach einem Jahr bemerkbar, ob nun die Batterie gebraucht wurde oder nicht. Die Batterie versagt ihren Dienst häufig nach zwei oder drei Jahren. Es muss jedoch gesagt werden, dass auch andere Batterien auf Alterung zurückzuführende Verschlechterung der Kapazität zeigen. Dies trifft speziell zu auf Nickel-Metallhydrid-Batterien, die zu hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt waren.

Hersteller verbessern die Lithium-Ion-Batterien dauernd. Neue und bessere chemische Verbindungen werden ungefähr alle sechs Monate eingeführt. Bei solch schnellen Fortschritten ist es schwierig, zu beurteilen, wie gut eine geänderte Batterie in bezug auf Alterung sein wird.

Eine Lagerung an einem kühlen Ort verlangsamt den Alterungsprozess von Lithium-Ion (und anderen Chemien). Hersteller empfehlen Lagerungstemperaturen von 15°C. Zusätzlich sollten die Batterien während der Lagerung teilweise geladen sein. Die Hersteller empfehlen eine 40%-Ladung.

Die wirtschaftlich günstigste Lithium-Ion Batterie in bezug auf das Preis/Energie-Verhältnis ist die zylindrische Batterie 18650 (wobei 18 der Durchmesser und 650 die Länge in mm sind). Diese Zelle wird vorwiegend für Laptops angewendet wie auch für andere Applikationen, wo kein Wert auf besonders schlanke Geometrie gelegt wird. Wenn eine ganz kleine Batterie nötig ist, ist die prismaförmige Lithium-Ion-Zelle die beste Wahl. Diese Zellen sind teurer in Bezug auf die gespeicherte Energie.

Vorteile
· Hohe Energiedichte - Potential für noch höhere Kapazitäten ist vorhanden
· Benötigt keine längere Formatierung, wenn neu. Eine einzige normale Ladung genügt.
· Verhältnismässig kleine Selbstentladung - die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte jener auf Nickel basierenden Batterien.
· Kleine Wartung - da kein Memoryeffekt besteht, wird keine regelmässige Entladung benötigt.

Grenzen
· Benötigt eine eingebaute Schutzschaltung, um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimiten zu halten.
· Ist der Alterung unterworfen, auch wenn sie nicht gebraucht wird - lagern der Batterie in einem kühlen Raum bei einer 40%-Ladung reduziert den Alterungseffekt.
· Entladestrom ist moderat - nicht verwendbar für starke Belastung
· Einschränkung bei Transporten - verschiffen von grösseren Mengen können zu Kontrollen führen. Diese Einschränkungen beziehen sich nicht auf persönlich mitgeführte Batterien.
· Aufwendig in der Herstellung - ca. 40% höhere Herstellungskosten als bei Nickel-Kadmium.
· Nicht total ausgereift - Metalle und Chemien ändern kontinuierlich.

Die Lithium-Polymer-Batterie

Die Lithium-Polymer-Batterie unterscheidet sich von konventionellen Batterien in der Art des verwendeten Elektrolyts. Die ursprüngliche Version, aus der Zeit um 1970, verwendete ein trockenes, festes Polymerelektrolyt. Dieses Elektrolyt gleicht einer plastikähnlichen Schicht, die für Elektrizität nicht leitfähig ist, aber einen Ionenaustausch gestattet (elektrisch geladenen Atome oder Gruppen von Atomen). Der Polymerelektrolyt ersetzt das traditionelle poröse Trennelement, welches mit Elektrolyt gesättigt ist.

Die Lösung mit trockenem Polymer bietet Vereinfachungen in Bezug auf Herstellung, Robustheit, Sicherheit und schlanken Formen an. Mit einer Zellendicke von etwa einem Millimeter können Gerätekonstrukteure ihrer Phantasie für Form, Beschaffenheit und Grösse freien Lauf lassen.

Unglücklicherweise leidet das trockene Lithium Polymer unter schwacher Leitfähigkeit. Der innere Widerstand ist zu hoch, um die für moderne Kommunikationsgeräte nötigen Stromspitzen liefern zu können, was zu Problemen mit der Festplatte von mobilen Computern führt. Eine Erwärmung der Zellen auf 60°C und mehr verbessert die Leitfähigkeit; eine Anforderung, die für tragbare Applikationen nicht umsetzbar ist.

Als Kompromiss wurden einige Gel-Elektrolyte hinzugefügt. Die meisten kommerziellen Lithium-Polymer-Batterien, die heute für die mobile Telephonie verwendet werden, sind Hybridzellen und enthalten Gel-Elektrolyte. Die richtige Bezeichnung dafür ist Lithium-Ion-Polymer. Es ist dies die einzige, funktionierende Polymer-Batterie für tragbaren Einsatz.

Was ist denn der Unterschied zwischen der klassischen Lithium-Ion-Batterie und der Lithium-Ion-Polymer-Batterie mit den beigefügten Gel-Elektrolyten? Auch wenn die Charakteristik und Leistung der beiden Typen ähnlich sind, ist die Lithium-Ion-Polymer die einzige Batterie, wo ein fester Elektrolyt das poröse Trennelement ersetzt. Der Gelelektrolyt wurde nur beigefügt, um die Ionenleifähigkeit zu verbessern.

Lithium-Ion-Polymer hat sich nicht so schnell durchgesetzt, wie Analysten dies allgemein erwartet hatten. Die Überlegenheit gegenüber anderen Batterietypen und die tiefen Herstellungskosten konnten nicht realisiert werden. Es wurden keine Verbesserungen im Kapazitätsgewinn erzielt - tatsächlich sind die Kapazitäten ein klein wenig unterhalb derjenigen von Standard-Lithium-Ion-Batterien. Lithium-Ion-Polymer findet seinen Markt in Nischenanwendungen, wie ultradünne Geometrie, wie sie gebraucht wird für Kreditkarten und ähnlichen Applikationen.

Vorteile
· Ausgesprochen dünn - Batterien, die in der Form einer Kreditkarte gleichen, sind herstellbar.
· Flexibler Formfaktor - die Hersteller sind nicht mehr an die Standardzellen-Formate gebunden. Bei grossen Stückzahlen können beliebige Formen günstig hergestellt werden.
· Leicht - die Gelelektrolyte gestatten vereinfachtes Verpacken ohne metallische Hülle.
· Bessere Sicherheit - widerstandsfähiger gegen Überladung, kleineres Risiko gegen auslaufende Elektrolyte.

Grenzen
· Kleinere Energiedichte und weniger Ladezyklen, verglichen mit Lithium-Ion
· Aufwendige Herstellung
· Keine Standardgrössen. Die meisten Zellen sind für einen Markt mit grossen Stückzahlen gebaut.
· Höhere Kosten betreffend Energieverhältnis als Lithium-Ion.