Li-Polymer-Akkus sind die am häufigsten verwendete Batterietechnologie, die wir täglich verwenden. Aber kennen Sie das Funktionsprinzip und den Aufbau von Li-Polymer-Akkus?
Das Funktionsprinzip und der Aufbau von Li-Polymer-Akkus sind identisch mit denen von Li-Ionen-Akkus. Diese Batterien funktionieren nach dem Prinzip der Deinterkalation und Interkalation von Lithiumionen von positiven Elektrodenmaterialien zu negativen Elektrodenmaterialien. Sehen wir uns zunächst den Herstellungsprozess von Li-Polymer-Batterien an.
Die sandwichartigen Zellen (Abb. 2) bestehen aus einer Graphitelektrode (negativ), einer Lithium-Metalloxid-Elektrode (positiv) und einer Separatorschicht. Das Lithiummetalloxid basiert auf Mangan-, Nickel- oder Kobaltoxidverbindungen oder einer Mischung daraus.
In bestimmten Zellen mit niedrigerem Spannungsniveau wird alternativ Eisenphosphat in Form von Li-Eisenphosphat-Zellen eingesetzt. Die Zusammensetzung beeinflusst die Eigenschaften der Batterie und variiert je nach Hersteller und Qualitätsstufe.
Abb. 2. Prinzipieller Aufbau von Li-Ionen-Zellen. Diagramm: © Universität Siegen
Wesentliche Kriterien, die Li-Polymer-Akkus von anderen Zelltypen unterscheiden:
oLi-Ionen-Zellen haben ein festes Gehäuse aus Edelstahl oder Aluminium. Das Gehäuse hat meist eine zylindrische Form („Rundzellen“). Es sind jedoch auch rechteckige Formen erhältlich.
Nachteile: relativ hohe Werkzeugkosten für die Gehäuseherstellung; eingeschränkte Abmessungen.
Vorteile: Robustes, mechanisch stabiles Gehäuse, wodurch die Batterie kaum beschädigt werden kann. Ein Laserschweißverfahren versiegelt die Zellen.
Li-Polymer-Zellen, auch Soft- oder Pouch-Zellen genannt, haben ein dünnes und etwas „weiches“ Gehäuse – ähnlich einem Beutel – aus tiefgezogener Aluminiumfolie. Das meist prismatische Gehäuse lässt sich einfacher und günstiger herstellen als die harten Gehäuse von Li-Ionen-Zellen. Auch die anderen Komponenten können in hauchdünnen Schichtfolien (< 100 µm) relativ kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden.
Die Zellen sind leicht, dünn und können in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt werden. Es können sowohl große Formate als auch Höhen von weniger als 1 mm erreicht werden. Allerdings erfordern die Zellen eine sorgfältige mechanische Handhabung.
Die Gehäusefolie ist beidseitig mit Kunststoff beschichtet. Innen: Polyolefine, beständig gegen die Zellbestandteile. Außen: Polyamid, beständig gegen die äußere Umgebung. Dieses wasserdichte Laminat ist verschweißt und umgibt die Zelle bestehend aus Kathode, Anode und Separator.
Ein kritischer Punkt war die Ausführung des Deflektors im Bereich der Terrasse. Eine zusätzlich am Deflektor angeschweißte Folie erhöht die Abdichtung in diesem Bereich der Verschweißung des „Gehäuses“.
o Elektrodensatz: Bei Li-Polymer-Batterien besteht der Elektrodensatz aus einer kohlenstoffbasierten Substanz (Graphit + Additive), die auf ein metallisches Substrat geklebt ist. Die Kathode besteht aus dreidimensionalen, lithiierten Kobaltoxiden oder Nickel/Mangan/Kobalt (NMC)-Mischoxiden, ebenfalls aufgeklebt auf ein metallisches Substrat. An beiden Elektroden sind Deflektoren vorhanden. Sie werden zusammen mit dem Separator, meist einem dreischichtigen Polyolefin, um den Kern gewickelt. Der Kern besteht im Allgemeinen aus einem flachen Stift, um die rechteckige Wicklung zu erzeugen. Der Wickel sitzt im Boden der Beutelfolie, die teilweise gefaltet und über den Wickel gelegt wird. Die Abdichtung erfolgt durch Verschweißen der Folie.
o Design: Ein Vorteil ist die nahezu unbegrenzte Auswahl an Größen und Formaten durch den Verzicht auf ein starres Stahlgehäuse und die kompakte Bauweise. Insbesondere die Möglichkeit, sehr flache Zellen zu konzipieren, zeichnet die Li-Polymer-Batterietechnologie aus. Solche Batterien können dünner als 1 mm sein.
Dies führt zu erheblichen Gestaltungsfreiheiten für das Endprodukt. Auch bei kleinen Losgrößen sind individuelle Abmessungen realisierbar und der für die Batterie reservierte Platz optimal ausgenutzt.
o Energiedichte: Die Energiedichte dieser Zellen ist höher als die anderer Typen. Bezogen auf ihr Gesamtgewicht haben Li-Polymer-Zellen eine etwas höhere Energiedichte als Li-Ionen-Zellen. Wie Li-Ionen-Akkus können sie problemlos parallel geschaltet werden, um höhere Kapazitäten zu ermöglichen.
o Selbstentladung: Ein weiterer Vorteil von LiPo-Zellen ist ihre relativ geringe Selbstentladung.
Dennoch sollten sie vor Überladung, Tiefentladung und extremen Temperaturen geschützt werden.
o Zulassung: Die Verbreitung von Li-Polymer-Zellen auf dem Markt bestätigt die Vorteile und Akzeptanz dieser Technologie. Viele der auf dem Markt befindlichen Zellen sind zertifiziert. Vor dem Einsatz einer bestimmten Zelle sollte geprüft werden, ob diese über eine Zulassung verfügt und ob der Hersteller über die für die Produktion erforderlichen Werkzeuge verfügt
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