Lithium-Polymer-Akkumulator

Ein Lithium-Polymer-Akku (auch LiPoly oder LiPo) ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher und eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkus.

Als Anode dient eine Lithium-Folie. Der Separator besteht aus Elektrolyt in einer Polymermatrix, die Kathode aus Metalloxid in einer Polymermatrix. Als Leitermaterial dient Metallfolie.

Metallisches Lithium hat mit -3.05 V den niedrigsten Wert in der Voltaschen Spannungsreihe, wodurch das höchste Potenzial zu jedem Kathodenmaterial gewährleistet ist. Die tatsächliche Spannung wird vom aktiven Anteil der Kathode bestimmt und kann zwischen 0.5 und 4 V liegen; die Nennspannung eines solchen Akkumulators liegt meist bei 3,7 V. Die feste Polymermatrix sorgt im Gegensatz zu Flüssigsystemen bei herkömmlichen Akkumulatoren für eine deutliche höhere Sicherheit.

Die verschiedenen Schichten eines Akkumulators müssen nicht mehr zu Zylindern gerollt oder zu quaderförmigen Paketen gestapelt werden. Stattdessen kann man den Akku wie eine flache Matte beliebiger Form ausbreiten. Auch mehrere Lagen sind möglich. Die Dicke einer solchen Zelle ist wie die Dickenverhältnisse der einzelnen Folien von der Anwendung abhängig. Die Schichten sind im Mittel etwa 100 µm dick. Das gestattet eine optimale Raumausnutzung in den Akkumulatoren von Notebooks, Mobiltelefonen und anderen Geräten.

Das feste Elektrolyt weist jedoch einen gravierenden Nachteil auf: Es liefert erst ab einer Betriebstemperatur von rund 60°C seine maximale Energie. In modernen Lithium-Polymer-Akkus kommt deshalb als Elektrolyt ein Gel zum Einsatz, das bereits bei Raumtemperatur seine volle Leistungsfähigkeit erreicht.

Durch seine besonderen chemischen Eigenschaften erreicht der feste Lithium-Polymer-Akku höhere Energiedichten als ein Li-Ion-Akku.

Technische Daten:

• gravimetrische Energiedichte: ca. 140 Wh/kg (bis zu 180Wh/kg Stand April 2005)
• gravimetrische Leistungsdichte: ca. 300 W/kg (bis zu 2800W/kg Stand September 2005)

Mit diesen Werten sind Lithium-Polymer-Akkus anderen Akkutypen überlegen. Die anfangs hohen Preise wegen der aufwendigen Herstellung sinken wegen steigender Stückzahlen stetig. Aufgrund des hervorragenden Leistungsgewichts und der sich stetig verbessernden Belastbarkeit werden sie immer häufiger im Modellbau eingesetzt, etwa bei Slowflyern oder Modellhubschraubern.

LiPolys sind sehr empfindlich: Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (>60 Grad) oder zu niedrigen Temperaturen (<0 Grad) und Lagern in entladenem Zustand schädigen bzw. zerstören die Zelle meist unwiderruflich.

Ladevorgang

LiPoly-Zellen werden mit der CC/CV-Methode (Constant Current, Constant Voltage) geladen:

• Constant Current: Während des Ladevorgangs muss für einen konstanten Ladestrom gesorgt werden, der 1 C (C entspricht der auf der Zelle angegebenen Kapazität) nie überschreiten sollte und üblicherweise bei 0,5 C bis 1 C liegt. Bei leeren Zellen, die unter 2,9 Volt haben, sollte der Strom 0,1 C nicht überschreiten.
• Constant Voltage: Die Ladespannung muss laufend überwacht werden und darf 4,235 Volt niemals überschreiten.

Die Ladung wird im Wesentlichen über den Ladestrom gesteuert. Zum Beginn der Ladung wird der Strom durch die Zelle langsam von 0 Ampère bis zum Maximalwert gesteigert. Erst wenn die Spannung über der Zelle ca. 3,6 Volt erreicht, sollte sie mit vollem Strom geladen werden. Nähert sich die Zelle ihrer maximalen Kapazität, steigt der Innenwiderstand an, was wegen des konstanten Ladestroms gemäß Ohmschen Gesetz zu einer Steigerung der Zellenspannung führt. Um die Maximalspannung von 4,235 Volt nicht zu überschreiten, wird der Ladestrom entsprechend verringert, bis er nur noch ca. 10% des anfänglichen Ladestroms beträgt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Ladevorgang beendet werden.

Ganz besondere Aufmerksamkeit erfordert das Laden von LiPoly-Packs. Im Modellbau, z.B. bei elektrischen Modellhubschraubern, werden bis zu 10 Zellen in Serie geschaltet. Durch Kapazitätsunterschiede, schlechte Selektion oder unterschiedliche Alterung der Einzelzellen können diese unterschiedliche Spannungen aufweisen.
Damit beim Laden nicht einzelne Zellen im Pack überladen werden (>4,20 Volt), wird daher pro Zelle z.B. ein zweipoliger Steckverbinder herausgeführt, an den während des Ladevorgangs sogenannte Balancer (Ladebegrenzer) angeschlossen werden: Elektronische Schaltungen, die die Spannungen der einzelnen Zellen auf max. 4.20 Volt begrenzen. Bei Spannungsüberschreitung schaltet sich ein Strom-Bypass ein, der den überschüssigen Ladestrom an der Zelle vorbeiführt und dadurch eine Überladung verhindert. Die Leistung des Balancers ist an die Akkukapazität anzupassen.

LiPo-Packs können sich bei Überladung entzünden oder auch explodieren - daher ist zur Ladung unbedingt ein für den speziellen Akku konstruiertes oder ein spezielles LiPo-Ladegerät (CC/CV-Methode) zu verwenden.