Lithium-Polymer-Akkumulator

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Lithium-Polymer-Akkumulator, kurz LiPoly oder LiPo, ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher und eine besondere Bauform des Lithium-Ionen-Akkumulators. Sein Elektrolyt liegt als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis vor. In praktisch eingesetzten Zellen handelt es sich um ein Gel, das bereits bei Raumtemperatur genügend Ionenleitfähigkeit besitzt; eine feste Elektrolytfolie erreicht eine ausreichend hohe Leitfähigkeit erst bei etwa 60 °C.

Der gebundene Elektrolyt ermöglicht eine größere Freiheit bei der Zellform. Da er nicht wie bei einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku flüssig ist, braucht die Zelle nicht zwingend ein starres Gehäuse, um Elektrodenabstände und Elektrolytverteilung zu sichern. Sie kann beispielsweise als besonders flache, gewinkelte oder gebogene Zelle gefertigt und statt eines festen Gehäuses mit Verbundfolie umschlossen werden. Dies kann die Energiedichte des Gesamtsystems etwas erhöhen. Am häufigsten sind Rund- und Flachzellen.

Materialien, Zellformen und Aufbau

Die negative Elektrode, die Anode, besteht wie bei den meisten Lithium-Ionen-Akkus aus Graphit. Für die positive Elektrode, die Kathode, wird ein Lithium-Metalloxid verwendet. Meist ist dies das preisgünstige Lithium-Cobalt(III)-oxid; solche Zellen gehören chemisch zu den Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren. Mit anderen Metalloxiden sind weitere Zellchemien möglich: Wird beispielsweise Lithiummanganoxid eingesetzt, handelt es sich um einen Lithium-Mangan-Akkumulator.

Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt und positive Elektrode können preiswert als Folien von weniger als 100 Mikrometern Dicke hergestellt werden. Eine Kunststofffolie nimmt den Elektrolyten auf. Weitere Folien tragen die Beschichtungen aus Lithium-Cobalt(III)-oxid beziehungsweise Graphit. Eine beidseitige Beschichtung verdoppelt beim Zusammenwickeln die Kapazität.

Genannt werden zylindrische Formate wie 18650er Industrieakkus und Panasonics 21700er Zellen für Tesla, prismatische Zellen etwa von Samsung SDI sowie Taschen- beziehungsweise Pouch-Zellen, die beispielsweise von LG Chem angeboten und in Aluminium-Verbundfolie verschweißt werden. Solche Zellen dienen unter anderem Elektroautos und Energiespeichersystemen.

Ein beschriebenes Mobiltelefon-Akkupack besitzt eine Nennspannung von 3,6 V. Es enthält einen Alublock zum Schutz der Folien, eine Sicherung gegen Überlastung und eine Schaltung des Batterie-Management-Systems. Da die Bauformen nicht genormt sind, sondern den Anforderungen des Geräteherstellers folgen, muss bei einem Defekt oft die gesamte Akkueinheit ersetzt werden. Ersatzakkus unbekannter Spezifikation müssen zudem nicht mit der vorhandenen Ladeelektronik zusammenarbeiten.

Leistung, Empfindlichkeit und Schutz

Für 2016/2017 werden eine gravimetrische Energiedichte von bis zu 255 Wh/kg und eine gravimetrische Leistungsdichte von etwa 600 bis 2500 W/kg angegeben. Als älterer Stand vom September 2011 werden Spitzenwerte bis zu 5000 W/kg genannt. Ein Beispiel für einen verwendbaren Elektrolyten ist Lithium[3,5-bis(trifluormethyl)pyrazolid].

LiPo-Zellen sind mechanisch, elektrisch und thermisch empfindlich. Beschädigungen, Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Temperaturen über 60 °C oder unter 0 °C sowie lange Lagerung im entladenen oder vollständig geladenen Zustand können eine Zelle schädigen oder zerstören. Beim Überladen kann sich der Akku durch Gase aus Zersetzungsreaktionen aufblähen, verpuffen und entzünden. Hitzebeständige keramische Separatoren – Trennschichten zwischen den Elektroden – reduzieren die Entzündungsgefahr und verbessern die mechanische Belastbarkeit.

Verbraucher-Akkupacks enthalten normalerweise ein fest verbundenes Batterie-Management-System, kurz BMS. Es ist auf den jeweiligen Akku abgestimmt, überwacht beziehungsweise schützt das System und gleicht bei einem Verbund die Ladung der einzelnen Zellen an. Bei Mobilgeräten kann ein zusätzlicher Kontakt der Temperaturüberwachung dienen.

Laden, Entladen und Lebensdauer

Die Zellspannung kennzeichnet die chemische Reaktion und den Ladezustand. Oberhalb der Ladeschlussspannung und unterhalb der Entladeschlussspannung beginnen nicht reversible Zersetzungsreaktionen. Abhängig von der Zellchemie liegen die zyklisch einzuhaltenden Grenzen typischerweise bei 3,3 V und 4,1 V; bei 2,5 V beziehungsweise 4,25 V tritt eine unmittelbar schädigende Wirkung auf.

Auch Lade- und Entladestrom hängen von der Temperatur ab. Unter 10 °C ist die Beweglichkeit der Ionen im Polymer bereits deutlich eingeschränkt, unter 0 °C kaum noch vorhanden. Besonders das Laden kann dann eine vorzeitige Alterung verursachen. Die übliche Maximaltemperatur beträgt etwa 60 °C. Eine Überschreitung kann Polymer und Separator irreversibel schädigen. Wird der Separator punktuell zerstört, kann ein unkontrollierter Stromfluss weitere Erhitzung, eine explosionsartige Freisetzung der gespeicherten Energie und die Abgabe von Pyrolysegasen auslösen.

Innerhalb der zulässigen Grenzen wird typischerweise mit 1 C, bei geeigneten Zellen bis 6 C, im IU-Verfahren geladen: Zunächst fließt ein konstanter Strom bis zur Ladeschlussspannung. Teilgeladene Zellen können kurzzeitig höhere Leistungen aufnehmen, etwa bei der Rückgewinnung von Bremsenergie. Bei Strompulsen verhält sich die Zelle ähnlich wie ein Elektrolytkondensator. Beim Entladen begrenzen Innenwiderstand und zulässige Erwärmung den Strom. Hersteller gaben für Hochleistungsakkus 2021 kurzzeitige maximale Entladeströme von 60 C bis 130 C an.

Für Luftfracht werden die Akkus aufgrund geltender Brandschutzbestimmungen mit höchstens 30 % Ladezustand ausgeliefert; bei anderem Transport kann der Ladezustand höher sein. Reihengeschaltete Zellen benötigen Balancer zum Ladungsausgleich. Diese werden meist erst beim Laden aktiviert und belasten den gelagerten Akku, abgesehen von geringen Leckströmen, kaum. Vollständiges Laden und Ausbalancieren erfolgen daher unmittelbar vor der Nutzung.

Bei der Lebensdauer sind Zyklenfestigkeit und kalendarische Alterung zu unterscheiden. Zyklenfestigkeit beschreibt die Haltbarkeit bei wiederholtem Laden und Entladen; kalendarische Alterung ist der Kapazitätsverlust durch irreversible Zellvorgänge auch ohne Nutzung. Lebensdauerangaben hängen stark von Bauqualität und Einsatzbedingungen ab. Betrieb an der Leistungsgrenze, häufiges Schnellladen und fehlende Kühlung beschleunigen die Alterung. Häufiges Nachladen kann dagegen den insgesamt erreichbaren Energieumsatz erhöhen. Empfohlen werden das Einhalten der Ladeschlussspannung, das Vermeiden von Tiefentladung, ein zum Zellentyp passendes BMS und der Betrieb im auf dem Akku angegebenen Temperaturbereich.

Typische Anwendungen

Lithium-Polymer-Akkus werden wegen ihrer flexiblen Form und hohen Leistung in mobilen Geräten, Fahrzeugen und im Modellbau eingesetzt. In Mobiltelefonen kommen sie zunehmend anstelle herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Auch MP3-Player, einschließlich preisgünstiger Modelle, enthalten sie häufig. Dort sind sie aus Kostengründen oft fest eingebaut oder besitzen ein proprietäres Format. Ein Defekt kann deshalb wirtschaftlich einem Totalschaden entsprechen, wenn sich der Austausch außerhalb der Garantie nicht lohnt.

Im RC-Modellbau verbreiteten sich LiPo-Akkus schnell, weil sie ferngesteuerten Modellen einen starken Leistungszuwachs ermöglichten. Sie dienen dort als Antriebs-, Empfänger- und Senderakku. Allerdings werden Modellbauzellen häufig an ihrer Leistungs- und Spezifikationsgrenze betrieben und altern deshalb schnell.

Als Traktionsbatterien wurden seit 2007 Kokam-Lithium-Polymer-Akkus mit hoher Energiedichte durch Kruspan Engineering in der Schweiz in einem Hotzenblitz von 1996 getestet. Dabei wurden Reichweiten von mehr als 350 km erzielt. Dieses Fahrzeug nahm 2011 als „Team 9 Faraday USA“ mit Roger Miauton, Mark Fuller und Mike Collier an der 3000 km langen, durch acht Länder führenden Wave2011 teil. Hyundai verwendet den Akkutyp in mehreren Elektro- und Hybridfahrzeugbaureihen; auch Mercedes eCitaros enthalten mehrere Lithium-Polymer-Akkumulatoren.

Bei Solarfahrzeugen nutzt der Sky Ace TIGA einen solchen Akku; das Fahrzeug hält mit 165 km/h den Geschwindigkeitsweltrekord für Solarfahrzeuge. Auch das im Artikel als seinerzeit neuestes Solarflugzeug bezeichnete Solar Impulse verwendet diesen Akkutyp.