Lithium-Akkus bedrängen Bleibatterien · Technologiewechsel birgt keine Risiken
Dieser Artikel erschien in der Elektronik-Fachzeitschrift Polyscope Ausgabe 10/08; Autorin »Elke Rothe, Product Marketing Gleichmann Batteries bei Gleichmann Electronics in Zusammenarbeit mit der BMZ GmbH«

Nicht nur steigende Rohstoffpreise und restriktive Umweltgesetze bewegenimmer mehr Motorradhersteller dazu, ernsthaft über Alternativen zur klassischenBleibatterie nachzudenken. Auch 70 Prozent Gewichtsersparung, das bessereStartverhalten bei Minustemperaturen und eine Lebenserwartung vondurchschnittlich 15 Jahren sind gute Gründe, auf Lithium-Ion-Starterbatterienumzusteigen.
 
Bei Handys, Notebooks, Akku-Schraubern etc. läuft ohne Li-Ion-Akkus schonlange nichts mehr. Mit der Entwicklung neuer und immer besserer Kathodenmaterialien stoßen Lithium-Akkus nun langsam aber auch in Bereiche vor,die bislang der inzwischen schon etwas in die Tage geratenen Bleibatterie vorbehalten waren. 

Einer dieser vielversprechenden Stoffe ist Lithium-Ion Eisen-Phosphat(LiFePO4). Entwickelt wurde die Idee, Eisen-Phosphat als Kathode zuverwenden, schon vor längerer Zeit in Kanada, der Durchbruch kam jedoch erst mit der Weiterentwicklung und Produktion dieses Materials durch die Süd Chemie. Das deutsche Unternehmen hält heute alle wichtigen Patente und hat bereits mehrere Lizenzen an namenhafte, vorwiegend japanische Zellenhersteller vergeben.


Lebensdauer ist kein Thema mehr

Ersetzt man das bei normalen Li-Ion-Akkus als Kathode verwendete Kobalt durch Eisen-Phosphat, erhält man zwischen den Potenzialen eine Nominalspannung von 3,3 V. Durch serielle Verschaltung von vier  Zellen lassen sich dann die gewünschten 12 V bzw. (13,2 V) erreichen.

Mit Hilfe von LiFePO4 lässt sich eines der Hauptprobleme klassischer Lithium-Ion basierten Systeme, nämlich deren relativ kurze Lebensdauer, eliminieren. Grund hierfür ist das sogenannte Solid-Electrolyte Interface (SEI). Bei der Erstladung der Zelle entsteht an der negativen Grenzfläche eine Passivschicht, womit die normale Lithium-Ion-Zelle de facto bereits ab der Herstellung einem zerfallenden System gleicht. Da die positiven Lithium-Ionen durch das SEI hindurch müssen, um reagieren zu können, trägt es wesentlich zu Zellcharakteristik bei (Erhöhung des Innenwiderstandes). War man früher der Ansicht, das die Entstehung dieses Effektes nicht verhindert werden kann, weiß man heute, dass das SEI durch Wahl des richtigen Elektrolyten durchaus beeinflussbar ist.

 
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Im Gegensatz zu Bleibatterien mit ihrer vergleichsweise hohen Selbstentladungsrate garantieren LiFePO4-Akkus auch noch nach 12 oder 18 Monaten Lagerung uneingeschränktes

Fahrvergnügen. Grund hierfür ist die Hochstromfestigkeit und die fehlende Passivierung zwischen den Bleiplatten.Selbst nach 15 Jahren beträgt der Kapazitätsverlust gerade einmal knapp über 25 Prozent (Bild1).


Exzellentes Kaltstartverhalten

Auch Motorradfahrer, die im Winter ihre Runden drehen wollen, profitieren von der LiFePO4-Technologie. Blei-Akkus nutzen Schwefelsäure als Elektrolyt. Dieses wird bei Minustemperaturen sehr träge, eine typische Bleibatterie stellt dann nur noch 65 % nutzbare Energie zur Verfügung. Anders Lithium-Ion Eisen-Phosphat-Akkus (Bild 2). Durch die engen Wicklungen und dem in einem Separator gebundenen festen Elektrolyt ist es möglich, selbst mit einer Restkapazität von 30 % und bei Minus 30 ° C eine Harley zu starten, wobei in diesem Fall vom Motor ein Strom von 600 A gezogen wird.


Deutlicher Gewichts- und Größenvorteil

Punkte können LiFePO4- im Vergleich mit Blei-Zellen auchhinsichtlich Gewicht und Größe sammeln. Mit einer Energiedichte von 125 Wh/kg schneidet Lithium-Ion Eisen-Phosphat um Faktor drei besser ab als Blei (Bild 3). Dies ist der einfachste Weg, um z.B bei einem Motorrad bis zu 11 kg Gewicht und 70 % Platz einzusparen.


Problemloser Austausch

Da LiFePO4-Akkus die gleiche Ladetechnik wie die heute üblichen Bleibatterien verwenden können (Bild 4), ist der Technologiewechsel für Motorradhersteller wie -fahrer mit keinerlei Risiken verbunden. Da die nutzbare Energie einer LiFePO4-Zelle allerdings viel höher als die einer Bleizelle ist, wird künftig allerdings statt einer Bleibatterie mit beispielsweise 17 Ah jedoch nur noch ein Lithium-Ion Eisen-Phosphat-Akkupack mit 4,6 Ah eingebaut.


Umweltfreundlich und kostengünstig

Lithium-Ion Eisen-Phosphat-Hochleistungszellen überzeugen nicht nur durch die bereits genannten technischen Merkmale. Zur hohen Energiedichte, der langen Haltbarkeit und dem exzellenten Leistungsverhalten kommt, dass LiFePO4-Zellen völlig ohne giftige Schwermetalle auskommen und dadurch besonders umweltfreundlich sind. Dank der Verwendung thermisch stabiler und nicht brennbarer aktiver Materialien bieten die Zellen zudem teilweise auch ohne zusätzliche Schutzbeschaltung ein Höchstmaß an Sicherheit, ein Merkmal, in dem sie sich signifikant von marktüblichen Lithium-Ionen-Zellen auf Kobaltbasis unterscheidet.

Durch das Wegfallen der externen Schutzkomponenten lassen sich Hochleistungsakkus zudem wesentlich einfach und damit im Verhältnis kostengünstiger als bisher herstellen. Berücksichtigt man dann noch, dass LiFePO4-Akkus in manchen Applikationen bis zu 10mal länger halten als von der Leistung her vergleichbare Bleiakkus, scheint das Ende der Bleimonster zumindest im Automobil- und Motorradbereich absehbar. Immer mehr Experten gehen davon aus, dass der große Paradigmenwechseln bereits innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre erfolgen wird.

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