Auf Wunsch vom F104-Wart habe ich mal ein paar Grundsätze zu den LiFePO4 Akkus und den normalen Li-Ion Akkus zusammengeschrieben. Um das Ganze nicht zu sehr zu verkomplizieren habe ich die Quellenangaben hier weggelassen. Wen es trotzdem interessiert kann sie von mir haben.
LiFePO4 Batterien
Allgemeines
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen mit Lithium-Cobalt(III)-Oxid (LiCoO2) wird kein Sauerstoff freigesetzt. Dieser kann bei anderen Typen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum thermischen Durchgehen führen, was unter ungünstigen Bedingungen zum Entflammen der Zelle führt. Bei Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren ist dies weniger wahrscheinlich.
LiFePO4-Akkumulatoren kennen keinen Memory-Effekt wie beispielsweise der Nickel-Cadmium-Akkumulator. Eine so bezeichnete Anomalie während der Entladung ist sehr klein und im normalen Betrieb unbedeutend. LiFePO4-Zellen können jederzeit zwischengelagert, entladen und geladen werden. Nur im vollständig geladenen und nahezu entladenen Zustand sind längere Lagerzeiten der Lebenserwartung abträglich.
Spannungsbereich der Zelle
Die Ladeschlussspannung liegt in der Regel bei 3,6-3,65 V. Oberhalb dieses Bereiches kommen Balancer zum Einsatz, welche bei den Super-B Batterien intern verbaut sind. Die Schutzschaltungen gegen Überladung sprechen meist bei 3,8 V an.
Die Entladeschlussspannung liegt zwischen 2,8 V und 2,5 V, die Schutzschaltungen sind oft auf 2,1 V ausgelegt um die Lebensdauer zu verlängern.
Im Bereich der Nennspannung von etwa 3,2-3,3 V zeigen die Zellen einen sehr geringen Spannungsabfall über der Entladetiefe. Im Bereich des Ladeschlusses und des Entladeschlusses ist hingegen ein starker Spannungsanstieg, bzw. -abfall zu verzeichnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Blei-Säure Akkus, die ihre Leistung bei Belastung allmählich verlieren, behalten LiFePO4 Akkus ihre fast volle Leistung bis zum Ende und fallen dann recht schnell ab.
Leicht reduzierte Ladeschlussspannungen (3,4-3,5 V) und verringerte Entladetiefen wirken sich positiv auf die nutzbare Zyklenanzahl und damit die Lebensdauer aus
Kapazität
Wie unterschiedlich diese Angaben zu Blei/Säure Batterien sind zeigt folgendes Beispiel. Die Hersteller geben die Kapazität bezogen auf eine Entladezeit unter Belastung, von 20 Stunden an. So kann eine 10Ah Blei Batterie mit einem Strom von 0,5A über einen Zeitraum von 20 Stunden belastet werden. Wird dieselbe 10Ah Blei Batterie mit 2,5A durch eine 25W Lampe belastet, kann sie aber nur 2,2A erbringen. Die Blei Batterie hat weniger Kapazität wenn die Belastung ansteigt, das bedeutet, dass Sie mit einer Super-B öfter starten können.
Startstrom
Für die
Super-B LiFePo4 Batterien wird die Stromstärke für einen Zeitraum von 10 Sekunden angegeben. Das ist dann die maximale Belastung, die geliefert werden kann ohne die Batterie zu zerstören. Die Batterie liefert höhere Ströme für einen kürzeren Zeitraum, oder geringere Ströme über einen längeren Zeitraum.
Aufladen
Die
Super-B LiFePo4 Batterien können mit jeder Art von Lichtmaschine geladen werden, solange die Spannung 14,4V nicht übersteigt. Herkömmliche Blei-Batterien benötigen zwischen 7 und 14 Stunden zum Aufladen. Während dieser Zeit steigt der innere Widerstand und der Ladestrom verringert sich. Die Super-B können mit einem wesentlich höheren Strom innerhalb von 30 Minuten vollständig geladen werden.
Herkömmliche Li-Ion-Batterie
Da Lithiumionenakkumulator der Oberbegriff für eine Vielzahl an möglichen Kombinationen von Materialien für Anode, Kathode und Separator darstellt, ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen zu treffen. Je nach Materialkombination unterscheiden sich die Eigenschaften teilweise deutlich.
Kein Memory-Effekt
Bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen wurde eine Anomalie im Verlauf der Entladespannungskurve entdeckt, die von ihren Entdeckern als „Memory-Effekt“ bezeichnet wird. Dieser Effekt ist jedoch nicht mit dem allgemein bekannten Memory-Effekt bei NiCd- und NiMH-Akkumulatoren vergleichbar und hat für den Anwender keine direkten negativen Auswirkungen.
Lebensdauer
Lithiumionen-Akkus verschlechtern sich sowohl durch Benutzung, als auch ohne Benutzung einfach mit der Zeit (kalendarische Lebensdauer). Es stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade-Entlade-Zyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall.
Ladung
Die Ladeschlussspannung beträgt typischerweise 4,0–4,2 V, teils auch 4,35 V, was etwas höhere Kapazitäten ermöglicht, aber auf Kosten einer reduzierten Zykluszahl. Da Lithiumionen-Akkus keinen Memory-Effekt kennen und auch nicht formiert werden müssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Zuerst mit einem konstanten Strom, der bei den meisten handelsüblichen Zellen 0,6 bis 1 C nicht übersteigen darf. Ein Ladestrom von 0,75 C bedeutet, dass ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah mit 0,75 A geladen wird. Generell ist es möglich, Li-Ion-Akkus mit einem geringeren Ladestrom als dem Nennstrom zu laden; meist erhöht sich dadurch auch die erreichbare Zyklenzahl etwas.
Erreicht der Akkumulator die Ladeschlussspannung von z. B. 4,2 V, wird diese Spannung gehalten. Der Ladestrom sinkt dann mit der Zeit immer weiter ab, je voller der Akkumulator wird. Sobald der Strom einen bestimmten unterschreitet oder er über einen längeren Zeitraum nicht mehr sinkt, wird die Ladung beendet
Entladung
Die Spannung des Lithiumionen-Akkus sinkt während der Entladung zunächst recht schnell von der erreichten Ladeschlussspannung auf die Nennspannung (ca. 3,6 bis 3,7 V) ab, sinkt dann aber während eines langen Zeitraums kaum weiter ab. Erst kurz vor der vollständigen Entladung beginnt die Zellenspannung wieder stark zu sinken. Die Entladeschlussspannung beträgt je nach Zellentyp um die 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden, sonst wird die Zelle durch irreversible chemische Vorgänge zerstört. Generell gilt, dass hohe Entladeströme sowohl die Nennkapazität eines Akkus senken, da dank des höheren Spannungsabfalls am Innenwiderstand die Entladeschlussspannung früher erreicht wird, als auch die Zyklenzahl aufgrund der höheren mechanischen und thermischen Belastung reduzieren.
Lagerung /Selbstentladung
Der Akku altert schneller, je höher seine Zellenspannung ist, daher ist es zu vermeiden, einen Li-Ion-Akku ständig 100 Prozent geladen zu halten. Der Ladezustand sollte 55–75 % betragen, kühle Lagerung ist vorteilhaft. Eventuell flüssige oder gelförmige Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um −25 °C entspricht
Gefahren beim Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus
Bei verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen oder polymeren Elektrolyten kann es ohne spezielle Schutzmaßnahmen zum thermischen Durchgehen kommen. Mit der steigenden Verwendung vor allem preiswerter Akkus (China-Produkte) mehren sich Meldungen von Überhitzungen.
Folgende Risiken sind bekannt:
Mechanische Belastung
Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Die hohen fließenden Ströme führen zur Erhitzung des Akkumulators. Gehäuse aus Kunststoff können schmelzen und entflammen. Unter Umständen ist ein mechanischer Defekt nicht unmittelbar zu erkennen. Auch längere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen. Ebenso kann durch äußere Beschädigung Luft und insbesondere Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen und chemische Reaktionen hervorrufen.
Chemische Reaktionen
Lithium ist ein hochreaktives Metall. Zwar liegt es in Lithiumbatterien nur als chemische Verbindung vor, allerdings sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus oft leicht brennbar. Li-Ionen-Akkus sind hermetisch gekapselt. Dennoch sollten sie nicht in Wasser getaucht werden, insbesondere in voll geladenem Zustand. Brennende Akkus dürfen daher nicht mit Wasser, sondern sollten zum Beispiel mit Sand gelöscht werden. In den meisten Fällen besteht im Falle eines Brandes lediglich die Möglichkeit, auftretende Folgebrände zu löschen und den Akkumulator kontrolliert abbrennen zu lassen. Die Elektrolytlösung ist meist brennbar. Ausgelaufene Elektrolytlösung eines Li-Ionen-Akkus kann fern vom Akku mit Wasser abgewaschen werden.
Thermische Belastung, Brandgefahr
Bei thermischer Belastung kann es bei verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus (→Lithium-Polymer-Akkumulator) zum Schmelzen des Separators und damit zu einem inneren Kurzschluss mit schlagartiger Energiefreisetzung (Erhitzung, Entflammung) kommen. Eine weitere Gefahr geht von exothermen Zersetzungsreaktionen der Zellchemikalien bei Überlastung, insbesondere beim Laden aus. Neuartige keramische, temperaturbeständigere Separatoren gewähren eine erhöhte Sicherheit. Ebenso können alternative Zellchemikalien eingesetzt werden, die thermisch stabiler sind oder deren Zersetzung nicht exotherm abläuft (LiFePO4).
