Die Pionierarbeit mit Lithiumbatterien begann 1912 unter GN Lewis, doch erst Anfang der 1970er Jahre wurden die ersten nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien kommerziell genutzt. Lithium ist das leichteste aller Metalle und bietet das größte elektrochemische Potenzial und die höchste Energiedichte bezogen auf das Gewicht.
Versuche, wiederaufladbare Lithiumbatterien zu entwickeln, scheiterten aus Sicherheitsgründen. Aufgrund der inhärenten Instabilität von Lithiummetall, insbesondere während des Ladens, wandte sich die Forschung der Verwendung von Lithiumionen anstelle von metallischem Lithium in nichtmetallischen Lithiumbatterien zu. Obwohl die Energiedichte etwas geringer war als bei Lithiummetall, sind Lithiumionen sicher, solange beim Laden und Entladen bestimmte Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. 1991 brachte Sony den ersten Lithium-Ionen-Akku auf den Markt. Andere Hersteller folgten diesem Beispiel.
Lithium-Ionen haben typischerweise die doppelte Energiedichte von Standard-Nickel-Cadmium. Es hat das Potenzial für eine noch höhere Energiedichte. Seine Entladeeigenschaften sind recht gut und die Entladeleistung ähnelt der von Nickel-Cadmium. Die hohe Batteriespannung von 3,6 Volt ermöglicht Batteriepack-Designs mit nur einer Zelle. Die meisten heutigen Mobiltelefone werden mit einem einzigen Akku betrieben. Ein auf Nickel basierender Akku würde drei in Reihe geschaltete 1,{{6}Volt-Zellen erfordern.
Bei der Lithium-Ionen-Batterie handelt es sich um eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemien nicht für sich beanspruchen können. Es gibt keinen Speicher und es ist kein geplanter Zyklus erforderlich, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Darüber hinaus beträgt die Selbstentladung im Vergleich zu Nickel-Cadmium weniger als die Hälfte, sodass Lithium-Ionen-Akkus gut für moderne Tankanzeigeanwendungen geeignet sind. Lithium-Ionen-Zellen richten bei der Entsorgung kaum Schaden an.
Trotz der allgemeinen Vorteile von Lithium-Ionen hat es auch Nachteile. Es ist zerbrechlich und erfordert eine Schutzschaltung, um einen sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten. Die in jedem Pack integrierte Schutzschaltung begrenzt die Spitzenspannung jeder Zelle während des Ladevorgangs und verhindert, dass die Zellenspannung beim Entladen zu stark absinkt. Darüber hinaus überwacht die Schutzschaltung die Batterietemperatur, um Überschreitungen zu verhindern. Die meisten Akkus sind für 1 °C bis 2 °C ausgelegt, wobei 1 °C der Nennkapazität des Akkus in einer Stunde entspricht. Ein solcher Schutz erhöht die Produktionskosten.
Alterung ist für die meisten Lithium-Ionen-Batterien ein Problem und viele Hersteller schweigen zu diesem Thema. Nach einem Jahr verliert die Batterie etwa 20 Prozent ihrer Kapazität pro Jahr, unabhängig davon, ob die Batterie verwendet wird oder nicht. Bei höheren Temperaturen erfolgt die Alterung schneller. Die Lagerung an einem kühlen Ort verlangsamt den Alterungsprozess von Lithium-Ionen (und anderen Chemikalien). Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 Grad (59 Grad F). Darüber hinaus sollte der Akku während der Lagerung teilweise aufgeladen sein, wobei ein Ladewert von 40 Prozent empfohlen wird.
Im Hinblick auf Kosten und Energiedichte ist die zylindrische 18650-Lithium-Ionen-Zelle die wirtschaftlichste Batterie und wird für mobile Computer und andere Anwendungen verwendet, die keine ultradünne Geometrie erfordern. Für dünnere Geometrien bietet prismatisches Lithium-Ion den besten Kompromiss zwischen Kosten-Energie-Verhältnis und Formfaktor.
Vorteile
- Hohe Energiedichte – Potenzial für noch höhere Kapazitäten.
- Im Neuzustand ist keine längere Grundierung erforderlich. Eine regelmäßige Aufladung genügt.
- Relativ geringe Selbstentladung – die Selbstentladung ist weniger als halb so hoch wie bei Batterien auf Nickelbasis.
- Geringer Wartungsaufwand – keine regelmäßige Entladung erforderlich; es gibt keine Erinnerung.
- Spezialzellen können Anwendungen wie Elektrowerkzeugen einen sehr hohen Strom liefern.
Einschränkungen
- Erfordert eine Schutzschaltung, um Spannung und Strom innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
- Alterung unterliegt auch bei Nichtgebrauch – Lagerung an einem kühlen Ort bei 40 % Ladung verringert den Alterungseffekt.
- Transportbeschränkungen – der Versand größerer Mengen unterliegt möglicherweise behördlichen Kontrollen. Diese Einschränkung gilt nicht für Handgepäckbatterien.
- Teuer in der Herstellung – etwa 40 Prozent teurer als Nickel-Cadmium.
- Noch nicht vollständig ausgereift – Metalle und Chemikalien unterliegen einem kontinuierlichen Wandel.
