Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Akkus sind eine weit verbreitete Akkutechnologie. Ein großer Vorteil dieser Akkus ist ihre Wiederaufladbarkeit. Aufgrund dieser Eigenschaft finden sie sich heute in den meisten batteriebetriebenen Geräten, beispielsweise in Handys, Elektrofahrzeugen und batteriebetriebenen Golfwagen.

Wie funktionieren Lithium-Ionen-Akkus?

Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus einer oder mehreren Lithium-Ionen-Zellen. Sie enthalten außerdem eine Schutzschaltung, die ein Überladen verhindert. Die Zellen werden als Akkus bezeichnet, sobald sie in einem Gehäuse mit einer Schutzschaltung installiert sind.

Sind Lithium-Ionen-Batterien dasselbe wie Lithium-Batterien?

Nein. Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Batterien unterscheiden sich grundlegend. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Lithium-Ionen-Akkus wiederaufladbar sind. Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist die Lagerfähigkeit. Ein Lithium-Ionen-Akku kann unbenutzt bis zu 12 Jahre lang verwendet werden, während Lithium-Ionen-Akkus eine Lagerfähigkeit von bis zu 3 Jahren haben.

Was sind die wichtigsten Komponenten von Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Zellen bestehen aus vier Hauptkomponenten. Diese sind:

Anode

Die Anode ermöglicht den Stromfluss von der Batterie zu einem externen Stromkreis. Außerdem speichert sie Lithium-Ionen beim Laden der Batterie.

Kathode

Die Kathode bestimmt die Kapazität und Spannung der Zelle. Sie produziert Lithium-Ionen beim Entladen der Batterie.

Elektrolyt

Der Elektrolyt ist ein Material, das als Leiter für Lithiumionen dient, um deren Bewegung zwischen Kathode und Anode zu ermöglichen. Er besteht aus Salzen, Additiven und verschiedenen Lösungsmitteln.

Der Separator

Das letzte Bauteil einer Lithium-Ionen-Zelle ist der Separator. Er dient als physikalische Barriere, um Kathode und Anode voneinander zu trennen.

Lithium-Ionen-Akkus funktionieren, indem Lithium-Ionen mithilfe des Elektrolyten zwischen Kathode und Anode hin und her wandern. Dabei werden freie Elektronen an der Anode aktiviert, wodurch am positiven Stromabnehmer eine Ladung entsteht. Diese Elektronen fließen durch das Gerät – beispielsweise ein Smartphone oder einen Golfwagen – zum negativen Stromabnehmer und zurück zur Kathode. Der Separator verhindert den freien Elektronenfluss im Akku und lenkt die Elektronen zu den Kontakten.

Beim Laden eines Lithium-Ionen-Akkus gibt die Kathode Lithium-Ionen ab, die zur Anode wandern. Beim Entladen wandern Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode, wodurch ein Stromfluss entsteht.

Wann wurden Lithium-Ionen-Batterien erfunden?

Lithium-Ionen-Batterien wurden in den 1970er Jahren von dem englischen Chemiker Stanley Whittingham erstmals konzipiert. In seinen Experimenten untersuchten Wissenschaftler verschiedene chemische Zusammensetzungen für eine selbstaufladende Batterie. Sein erster Versuch umfasste Titandisulfid und Lithium als Elektroden. Die Batterien verursachten jedoch Kurzschlüsse und explodierten.

In den 1980er Jahren nahm sich ein weiterer Wissenschaftler, John B. Goodenough, der Herausforderung an. Kurz darauf begann der japanische Chemiker Akira Yoshino mit der Erforschung dieser Technologie. Yoshino und Goodenough wiesen nach, dass Lithiummetall die Hauptursache für Explosionen war.

In den 90er-Jahren gewann die Lithium-Ionen-Technologie zunehmend an Bedeutung und entwickelte sich bis zum Ende des Jahrzehnts schnell zu einer beliebten Energiequelle. Dies war das erste Mal, dass Sony diese Technologie kommerzialisierte. Die schlechte Sicherheitsbilanz von Lithiumbatterien hatte die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien vorangetrieben.

Lithiumbatterien weisen zwar eine höhere Energiedichte auf, sind aber beim Laden und Entladen unsicher. Lithium-Ionen-Akkus hingegen sind beim Laden und Entladen recht sicher, sofern die grundlegenden Sicherheitsrichtlinien beachtet werden.

Welche Lithium-Ionen-Chemie ist die beste?

Es gibt zahlreiche Arten von Lithium-Ionen-Akkus mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Die im Handel erhältlichen sind:

Lithiumtitanat
Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid
Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid
Lithium-Manganoxid (LMO)
Lithium-Cobalt-Oxid
Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)

Es gibt zahlreiche chemische Zusammensetzungen für Lithium-Ionen-Akkus. Jede hat ihre Vor- und Nachteile. Einige eignen sich jedoch nur für bestimmte Anwendungsfälle. Die Wahl des Akkutyps hängt daher von Ihrem Energiebedarf, Ihrem Budget, Ihren Sicherheitsansprüchen und dem jeweiligen Anwendungsfall ab.

LiFePO4-Batterien sind jedoch die am weitesten verbreitete Option. Diese Batterien enthalten eine Graphit-Kohlenstoff-Elektrode als Anode und Phosphat als Kathode. Sie weisen eine lange Lebensdauer von bis zu 10.000 Ladezyklen auf.

Darüber hinaus bieten sie eine hohe thermische Stabilität und können kurzzeitige Lastspitzen problemlos bewältigen. LiFePO4-Akkus sind für eine thermische Durchgehgrenze von bis zu 510 Grad Fahrenheit ausgelegt – die höchste aller handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus.

Vorteile von LiFePO4-Batterien

Im Vergleich zu Blei-Säure- und anderen Lithium-basierten Batterien bieten Lithium-Eisenphosphat-Batterien einen großen Vorteil. Sie laden und entladen effizient, haben eine längere Lebensdauer und können tiefentladen werden.cleohne Kapazitätsverlust. Diese Vorteile führen zu erheblichen Kosteneinsparungen über die gesamte Lebensdauer der Batterien im Vergleich zu anderen Batterietypen. Im Folgenden werden die spezifischen Vorteile dieser Batterien in Fahrzeugen mit niedriger Drehzahl und in Industrieanlagen erläutert.

LiFePO4-Batterie in Fahrzeugen mit niedriger Geschwindigkeit

Langsame Elektrofahrzeuge (LEVs) sind vierrädrige Fahrzeuge mit einem Gewicht von unter 3000 Pfund. Sie werden von elektrischen Batterien angetrieben, was sie zu einer beliebten Wahl für Golfwagen und andere Freizeitaktivitäten macht.

Bei der Wahl der Batterieoption für Ihr Elektrofahrzeug ist die Langlebigkeit einer der wichtigsten Faktoren. Beispielsweise sollten batteriebetriebene Golfcarts über genügend Leistung verfügen, um eine 18-Loch-Golfanlage zu befahren, ohne nachladen zu müssen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Wartungsplan. Eine gute Batterie sollte wartungsfrei sein, um Ihnen maximalen Genuss Ihrer Freizeitaktivitäten zu ermöglichen.

Der Akku sollte zudem unter verschiedenen Wetterbedingungen funktionieren. Beispielsweise sollte er es ermöglichen, sowohl in der Sommerhitze als auch im Herbst bei sinkenden Temperaturen Golf zu spielen.

Eine gute Batterie sollte außerdem über ein Kontrollsystem verfügen, das sicherstellt, dass sie weder überhitzt noch zu stark abkühlt und dadurch ihre Kapazität beeinträchtigt wird.

Eine der besten Marken, die all diese grundlegenden, aber wichtigen Anforderungen erfüllt, ist ROYPOW. Ihre LiFePO4-Lithiumbatterien sind für Temperaturen von -15 °C bis 55 °C ausgelegt. Die Batterien verfügen über ein integriertes Batteriemanagementsystem und sind extrem einfach zu installieren.

Industrielle Anwendungen für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Am häufigsten werden LiFePO4-Akkus verwendet. Zu den gängigsten Geräten, die diese Akkus nutzen, gehören:

Schmalgangstapler
Gegengewichtsstapler
Dreirad-Gabelstapler
Walkie-Stapler
Fahrer am Ende und in der Mitte

Es gibt viele Gründe für die zunehmende Beliebtheit von Lithium-Ionen-Batterien im industriellen Bereich. Die wichtigsten sind:

Hohe Kapazität und Langlebigkeit

Lithium-Ionen-Akkus weisen im Vergleich zu Blei-Säure-Akkus eine höhere Energiedichte und längere Lebensdauer auf. Sie wiegen nur ein Drittel des Gewichts und liefern die gleiche Leistung.

Ihr langer Lebenszyklus ist ein weiterer großer Vorteil. Für einen Industriebetrieb ist es wichtig, die laufenden Kosten so gering wie möglich zu halten. Mit Lithium-Ionen-Batterien können Gabelstaplerbatterien dreimal so lange halten, was langfristig zu enormen Kosteneinsparungen führt.

Sie können auch mit einem höheren Entladegrad von bis zu 80 % betrieben werden, ohne dass ihre Kapazität beeinträchtigt wird. Das spart zusätzlich Zeit. Der Betrieb muss nicht mehr unterbrochen werden, um die Batterien auszutauschen, wodurch sich über einen längeren Zeitraum Tausende von Arbeitsstunden einsparen lassen.

Schnellladung

Bei industriellen Blei-Säure-Batterien beträgt die normale Ladezeit etwa acht Stunden. Das bedeutet, dass die Batterie während einer ganzen 8-Stunden-Schicht nicht zur Verfügung steht. Daher muss der Betriebsleiter diese Ausfallzeit einplanen und zusätzliche Batterien beschaffen.

Mit LiFePO4-Akkus stellt das keine Herausforderung dar. Ein gutes Beispiel dafür ist derROYPOW Industrie-Lithium-PO4-BatterienSie laden viermal schneller als Bleiakkumulatoren. Ein weiterer Vorteil ist ihre Leistungsfähigkeit auch bei Entladung. Bleiakkumulatoren weisen hingegen oft einen Leistungsabfall auf, je weiter sie sich entladen.

Die Industriebatterien der Marke ROYPOW weisen dank eines effizienten Batteriemanagementsystems keine Memory-Effekte auf. Blei-Säure-Batterien leiden häufig unter diesem Problem, was dazu führen kann, dass sie ihre volle Kapazität nicht erreichen.

Mit der Zeit kommt es zur Sulfatierung, wodurch sich die ohnehin kurze Lebensdauer halbieren kann. Dieses Problem tritt häufig auf, wenn Bleiakkumulatoren nicht vollständig geladen gelagert werden. Lithiumakkumulatoren hingegen können in kurzen Abständen geladen und problemlos mit jeder beliebigen Kapazität über Null gelagert werden.

Sicherheit und Handhabung

LiFePO4-Batterien bieten in industriellen Anwendungen einen großen Vorteil. Erstens zeichnen sie sich durch eine hohe thermische Stabilität aus. Diese Batterien können bei Temperaturen von bis zu 55 °C (131 °F) ohne Schaden betrieben werden. Blei-Säure-Batterien würden bei einer ähnlichen Temperatur bis zu 80 % ihrer Kapazität einbüßen.

Ein weiteres Problem ist das Gewicht der Batterien. Bleiakkumulatoren wiegen bei vergleichbarer Kapazität deutlich mehr. Daher benötigen sie oft spezielle Ausrüstung und eine längere Installationszeit, was zu einem geringeren Arbeitsaufwand führen kann.

Ein weiteres Problem ist die Arbeitssicherheit. LiFePO4-Batterien sind im Allgemeinen sicherer als Bleiakkumulatoren. Gemäß den OSHA-Richtlinien müssen Bleiakkumulatoren in einem speziellen Raum mit Anlagen zur Beseitigung gefährlicher Dämpfe gelagert werden. Dies verursacht zusätzliche Kosten und erhöht den Aufwand für den industriellen Betrieb.

Abschluss

Lithium-Ionen-Akkus bieten klare Vorteile im industriellen Bereich und bei langsam fahrenden Elektrofahrzeugen. Sie haben eine längere Lebensdauer und sparen den Nutzern dadurch Kosten. Zudem sind diese Akkus wartungsfrei, was insbesondere im industriellen Umfeld, wo Kosteneinsparungen oberste Priorität haben, von großer Bedeutung ist.