Lithium-Akkus allgemein

Li-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch weitestgehend stabil und sie haben fast keinen Memory-Effekt, welcher sich gewöhnlich in immer geringerer abrufbarer Energie nach dem Ladevorgang äußert.

Im Modellbaubereich werden vor allem der Lithium-Polymer-Akku (LiPo)und der Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator (LiFePo) verwendet.

Lithium Akkus sind bei sachgemäßer Verwendung und Lagerung wenig gefährlich. Lithium als Element brennt bei Berührung mit Wasser! Lithium ist in elementarer Form normalerweise nicht in den Akkus vorhanden, kann sich bei unsachgemäßer Verwendung, vor allem bei Überladung, jedoch in geringen Mengen im Lithium-Akku bilden. Bei unsachgemäßer Verwendung oder Behandlung oder Beschädigung von Lithium-Akkus besteht die Gefahr, dass die Zellen Feuer fangen, ja sogar explodieren.

Häufige Ursachen für Unfälle sind wie schon erwähnt, starke Überladung, Überhitzung im Betrieb, Kurzschlüsse der Anschlusskabel und mechanische, zum Teil nicht sichtbare Beschädigung durch Crash, Schock, Herunterfallen - also alles Folgen unsachgemäßer Behandlung bzw. auch Herstellungsfehler oder Designfehler.

Die Familie der Lithium-Akkus

Die hier folgende Aufstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie soll lediglich einen kleinen Überblick geben.

LiIon

Lithium-Ionen-Akkus sind meistens in zylindrischer Bauform im Metallgehäuse erhältlich, die Ladeschlussspannung beträgt 4.1V und die Nennspannung 3.6V. LiIon-Zellen sind für geringe bis allenfalls mittlere Stromstärken ausgelegt und finden daher keine Anwendung im Hochstrom RC Bereich.

LiPo

Lithium-Polymer-Akkus sind chemisch gesehen den LiIon-Akkus sehr ähnlich, bestehen jedoch aus beschichteten Folien aus Kupfer und Aluminium, mit einer dazwischen befindlichen Polymer-Folie. Es sind viele Bauformen möglich. Fast alle im Moment erhältlichen Zellen haben eine Ladeschluss-Spannung von 4.2 Volt und eine Nennspannung von 3.7 Volt. Lipo-Akku’s finden auf Grund ihrer hohen möglichen Strombelastung überwiegend Einsatz im Hochstrombereich, wie den E-Heli-Antrieben, ferner aber auch in Empfängerstromversorgungen.

LiFePO4 (LiFePo)

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus können ähnlich wie Lipo Akku’s eingesetzt werden. Der amerikanische Hersteller A123 hat LiFePO4 durch Nanotechnologie überhaupt erst für Hochstromanwendungen verwendbar gemacht. LiFePO4 Zellen besitzen eine Ladeschluss-Spannung von 3.6V. Die Nennspannung ist mit 3.2 bis 3.3 Volt angegeben. LiFePO4 Akku’s haben Vorteile gegenüber Lipo’s bezüglich Sicherheit, sind aber im Moment noch sehr teuer in der Anschaffung.

Sicherheitshinweise

LiPo-Akkus dürfen nicht überladen und auch nicht tiefentladen werden. Die Zellen sollen nur in einem Spannungs-Fenster von 3.30V bis 4.23V Leerlaufspannung betrieben werden.
Die Anschlüsse sind unbedingt vor Kurzschluss zu schützen, da bei einem Kurzschluss extrem hohe Ströme fließen
LiPo-Akkus sind ausschließlich in geeigneten Behältnissen zu transportieren und zu lagern. Dies kann entweder ein hitzebeständiger, abschließbarer Transport- / Lagerkoffer oder ein sogenannter LiPo-Bag sein.
Die Lagerung der LiPo-Zellen sollte bei einer Zellenspannung von ca. 3.6V - 3.8V erfolgen.
Es dürfen nur für LiPo-Akkus geeignete Ladegeräte verwendet werden.
Lipo-Akkus müssen immer auf einer feuerfesten Unterlage, mindestens 3 m entfernt von brennbaren Gegenständen geladen und gelagert werden.
Für Lader, welche die Zellenzahl nicht automatisch erkennen, ist vor jedem Ladevorgang die korrekte Einstellung der Zellenzahl erforderlich. Fehlerhafte Lade-Einstellungen beinhalten großes Gefahrenpotential.
Es wird empfohlen Lader mit integriertem oder externem Balancer und Ladeunterbrechungs-Funktion zu verwenden.
Die Zellen müssen in dem vom Hersteller angegeben Temperaturfenster betrieben werden! Üblicherweise ist eine Maximaltemperatur von 60°C angegeben. Diese sollten im Betrieb jedoch nicht erreicht werden.
LiPo-Akkus verändern ihren Innenwiderstand mit der Temperatur, da die Ionenleitfähigkeit des Polymeres mit der Temperatur ansteigt. Für hohe Stromstärken ist daher eine Mindesttemperatur des Akku’s von 25°C -35°C anzuraten. Bei geringeren Temperaturen besteht Gefahr, dass die Zellen beschädigt werden und sich sogar aufblähen.
Eine Tiefentladung schädigt LiPo-Zellen irreparabel. Bei Weiterverwendung besteht hier sogar erhöhtes Risiko. Die Leerlaufspannung nach der Benutzung sollte daher nie unter 3.3V betragen. Die automatische Strombegrenzung des Reglers (CutOff) bei Unterschreiten der Minimalspannung zum Schutz des Akkus ist unbedingt zu empfehlen.
Stark aufgeblähte Akkus enthalten brennbare Gase. Aufgeblähte Akkus sind defekt und könnten, wenn sie weiterhin benutzt werden, zu Verpuffungen und Bränden führen.
Sollte ein Akku zu brennen beginnen, dann kann dieser mit Sand, Wasser oder am besten mit einem Feuerlöscher gelöscht werden. Die Verbrennungsgase sind giftig!
Beschädigte Zellen sind fachgerecht zu entsorgen. Dazu müssen die Zellen vorher mit einem geringen Strom von max. 1A völlig entladen werden. Die Entladung muss auf einer feuerfesten Unterlage erfolgen und solange andauern bis die Leerlaufspannung dauerhaft unter 3,6Volt, oder besser 3,0Volt bleibt. Bei dieser Zellenspannung kann der Akku gefahrlos entsorgt werden. Entsprechend der Gesetzeslage geschieht die Entsorgung bei der örtlichen Entsorgungsstelle für Batterien bzw. über den Fachhandel.

Handhabung von LiPos

Voll geladene Li-Zellen unterliegen einer erhöhten Alterung, die zu dauerhaftem Kapazitätsverlust und dauerhafter Zunahme des Innenwiderstands führt. Li-Akkus sollten deshalb nicht vollgeladen über Tage oder gar Wochen gelagert werden. Ideal ist eine Lagerspannung zwischen 3,6 und 3,8 Volt je Zelle.
Auch bei Li-Zellen gibt es einen von Ni-Zellen bekannten Effekt – eine vor längerer Zeit eingebrachte (Teil-) Ladung besitzt eine reduzierte „Stromabgabe-Willigkeit“. Es kommt zu einer temporären Erhöhung des Innenwiderstands für diesen Teil der Ladung. Solche Zellen sind dann weniger belastbar, sie liefern weniger Spannung und sie können gar unter hoher Last aufblähen. Und das unter Lasten, die sie frisch geladen problemlos verkraften würden. Bei halbvoll gelagerten und dann nur nachgeladenen Zellen ist dieser Effekt deutlich feststellbar – nach Entnahme der Menge der frisch nachgeladenen Kapazität bricht die Spannung merklich ein. Teilgeladene Akkus sollten daher nach einer längeren Lagerung (länger als einige Tage) vor einer erneuten Ladung und anschließenden Benutzung mit moderaten Strömen entladen werden, aber nicht unter die Tiefentladungsgrenze.
Der Innenwiderstand von Li-Zellen sinkt bei steigender Temperatur, bis etwa 60°C. Dort wird das Minimum erreicht. Allerdings hat eine erhöhte Temperatur auch sehr negative Effekte. Die Alterung der Zellen wird dadurch deutlich beschleunigt. Lagert man volle Li-Zellen für mehrere Stunden unter erhöhter Temperatur, so forciert dies einen dauerhaften Kapazitäts-Verlust. Des Weiteren wird durch eine solche Lagerung aber auch der Innenwiderstand vorübergehend erhöht. Dadurch ist eine solche Zelle trotz erhöhter Temperatur weniger belastbar. Li-Zellen sollten also erst unmittelbar vor der Benutzung geladen und auf Temperatur (1,5 Stunden im Thermokoffer) gebracht werden und nur so kurz wie möglich einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden.
Li-Akkus lagert man am besten kühl, wenn möglich bei Kühlschranktemperaturen.

LiPo-Zellen und davon ausgehende Gefahren

LiPo-Zellen bestehen aus mehreren, abwechselnd übereinander gelegten und beidseitig beschichteten Folien aus dünnem Kupfer und Aluminium. Zwischen den einzelnen Schichten befindet sich als Trennlage eine Polymer-Folie. Diese Polymer-Folie bewirkt eine elektrische Isolation zwischen den Schichten. Diese Folie ist jedoch durchlässig für Lithium-Ionen.
Die Kupfer- und Aluminiumfolien dienen als Leiter und Trägermaterial. Die Metallfolien an sich sind nicht an der chem. Reaktion im Akku beteiligt, jedoch besitzen sie eine chemisch reaktive Beschichtung. Als Anoden-Schicht dient derzeit meistens eine gitterähnliche Struktur aus Graphit oder Kohle, denn diese kann Lithium-Ionen aufnehmen. Als Kathoden-Schicht kommen Metalloxide auf Kobalt-, Nickel-und Manganbasis zum Einsatz.
Zwischen Anoden-und Kathoden-Schicht können Lithium-Ionen ausgetauscht werden. Die Ionen diffundieren (durchwandern) durch die Polymer-Folie. Um eine Ionen-Leitfähigkeit der Polymer-Folie zu erreichen, ist diese mit einem Lösungsmittel auf Alkoholbasis getränkt.
Außen ist dieser Stapel aus Folien von einer luftdicht abschließenden Kunststoff-Folie umgeben.
Brennbar in den Zellen ist das Lösungsmittel (Alkohol), sowie die enthaltenen Kunststoffanteile. Bei sehr hohen Temperaturen kann auch die Beschichtung der Metall-Folien brennen.

Ein LiPo-Akku entzündet sich fast ausnahmslos durch einen inneren oder äußeren Kurzschluss einer geladenen Zelle oder eines ganzen Zellen-Packs. Meistens wird solch ein Kurzschluss durch eine äußere, mechanische Beschädigung verursacht oder durch Kurzschließen der Anschlusskabel. durch den eingetretenen Kurzschluss erhöht sich die Temperatur in der Zelle binnen sehr kurzer Zeit enorm. Bei Temperaturen über 90°C wird das Lösungsmittel gasförmig und die Zelle bläht sich auf. Dieses Gas kann sich dann leicht entzünden und die Zelle fängt an zu brennen. Die beim Brand der Zelle entstehende Hitze kann leicht benachbarte Zellen entzünden.

Die Brandgefahr geht also nicht von der normalen elektrochemischen Reaktion aus, sondern vom enorm hohen Energiegehalt vollgeladener Zellen. Um das Brandrisiko zu minimieren, sollten LiPo-Zellen nicht voll gelagert oder transportiert werden. Nicht vollgeladene Zellen beinhalten weniger elektrische Energie und dadurch minimiert sich das Risiko eines Brandes erheblich.

Lithium in elementarer Form, welches bei Berührung mit Wasser brennt, ist nur in geringen Mengen in den Li-Zellen vorhanden. Der typische Gesamtgehalt an Lithium (Lithium-Ionen) beträgt etwa 1,5g/ 5000mAh Kapazität. Mit Wasser reagierendes Lithium (Metallform) kann sich allerdings bei einer Überladung des Akku’s in kleinen Mengen ausbilden (Zellen-Spannungen größer 4.2V). Bei massiver, permanenter Überladung kann es daher zu einer Selbstentzündung bei Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit kommen. Aus diesem Grund ist die Einhaltung der max. Ladeschluss-Spannung wichtig.

Wenn eine LiPo-Zelle brennt, dann brennt zuerst das organische Lösungsmittel und später, als Folge dessen, der Kunststoff der Umhüllung bzw. die Polymer-Folie. Dabei entstehen dann giftige Gase.

Sollte ein Akku-Pack in einer brennbaren Umgebung (Auto, Wohnung) zu brennen beginnen, dann sollte man zunächst versuchen, den brennenden Akku so schnell wie möglich aus der brennbaren Umgebung zu entfernen. Ein Lipo-Brand kann auch mit Wasser oder Schaum-Feuerlöschern bekämpft werden, die entsprechende Vorsicht natürlich vorausgesetzt.

Vor- und Nachteile von Lipo-Akkus

Vorteile von Lipo Akkus:

Power, Power und nochmals Power - Mehr Kapazität bei geringerem Gewicht. Ein Lipo-Akku wiegt etwa nur halb so viel wie ein vergleichbarer NiMH-Akku. Dieser Vorteil ist sehr gewichtig. Die wesentlichen Nachteile sind eigentlich nur beschränkt auf die Einhaltung besonderer Regeln und Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Beschädigungen der Akkus und Unfällen. Wer sich stets an diese Regeln hält, der wird seine Freude mit diesen Akkus haben.

Nachteile von Lipo-Akkus:

Lipo-Akkus sind brennbar.
Im Brandfall entstehen giftige Gase
Man benötigt zum Laden spezielle Lipo Ladegeräte
Man darf Lipos nicht zu sehr entladen, sonst macht man sie unbrauchbar
Eine Lipo-Zelle darf niemals über 4,2 Volt Zellspannung geladen werden, sonst droht Gefahr
Nach etwa 100 bis 200 Ladezyklen ist es statistisch gesehen vorbei. Bei qualitativ minderwertigen oder unsachgemäß behandelten Akkus geht das auch weitaus schneller.