Lithium-Polymer

Prototyp eines Lithium-Polymer-Akkumulators der NASA

3-Zellen-LiPo für den RC-Modellbau

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

Wie beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode (negative Elektrode) aus Graphit, die Anode aus Lithium-Metalloxid. Im Gegensatz dazu enthalten Lithium-Polymer-Akkus aber keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige Folie vorliegt. Die Komponenten des Akkus – Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt, positive Elektrode – lassen sich preiswert als Schichtfolien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer herstellen. Die Bauform der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen.

Eigenschaften

Feste Elektrolyt-Folien erreichen eine ausreichend hohe Ionenleitfähigkeit erst ab einer Betriebstemperatur von rund 60 °C. In modernen Lithium-Polymer-Akkus kommt deshalb als Elektrolyt ein Gel zum Einsatz, das bereits bei Raumtemperatur seine volle Leistungsfähigkeit erreicht.

Da Lithium mit −3,05 V ein sehr tiefes Potential in der elektrochemischen Spannungsreihe aufweist, ist eine hohe Potentialdifferenz zu fast jedem Kathodenmaterial gewährleistet. Die Zellspannung liegt je nach verwendetem Material für die positive Elektrode zwischen 0,5 und 4,3 V; die Nennspannung eines solchen Akkumulators beträgt meist 3,7 V.

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

Technische Daten:

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

Die anfangs durch die aufwendige Herstellung hohen Preise sind aufgrund steigender Stückzahlen deutlich gesunken. Aufgrund des hervorragenden Leistungsgewichts und der sich stetig verbessernden Belastbarkeit werden sie auch immer häufiger im Modellbau eingesetzt. Für elektrisch betriebene Flugmodelle sind sie inzwischen Standard. Seit 2004 werden elektrische Antriebssysteme mit Lithium-Polymer-Akkus auch bei der F3A-WM erfolgreich verwendet.

Lithium-Polymer-Akkus sind elektrisch und thermisch empfindlich: Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (größer 60 °C) oder zu niedrigen Temperaturen (kleiner 0 °C) und langes Lagern in entladenem Zustand schädigen oder zerstören die Zelle in den meisten Fällen.

Lithium-Polymer-Akkus können sich bei Überladung entzünden oder auch verpuffen – daher ist zur Ladung unbedingt ein für diesen Akku konstruiertes beziehungsweise ein spezielles Li-Akku-Ladegerät (I/U-Verfahren) zu verwenden, siehe Artikel Lithium-Ionen-Akku.

Im Handel erhältliche Lithium-Polymer-Akkupacks für Verbrauchergeräte enthalten bereits eine für den jeweiligen Akku entwickelte Schutzschaltung (gegen Unterspannung und Überstrom); das Zell- und Lademanagement ist meistens im zugehörigen Gerät integriert, jedoch werden oftmals Zelldaten im Akkupack gespeichert und per SMBus ausgelesen. Das erschwert es, Akkus anderer Hersteller einzusetzen oder Ersatzakkus für ein veraltetes Modell zu finden.

Aufbau einer Mobiltelefon-Akkueinheit

Akku, nach Entfernen des Kunststoff-Gehäuses

Geöffneter (entladener) Akku

Das Bild rechts zeigt einen Lithium-Ionen Akku mit einer Nennspannung von 3,6 V. Der Akku ist in die Abdeckung eines Mobiltelefones integriert.
Nach Entfernen der Plastikummantelung, Bild oben rechts, liegt die Schutzschaltung frei. Im Deckel des Alublocks ist eine Elektrische Sicherung gegen Überlastung integriert. Der Alublock schützt die drei Folien des Lithium-Polymers, die im unteren Bild heraus gezogen wurden.

Die Kunststofffolie (Polymer) nimmt den Elektrolyten auf. Eine Folie ist mit dem Elektrodenmaterial für den positiven Kontakt beschichtet, die andere mit Graphit für den negativen. Die zweiseitige Beschichtung verdoppelt die Kapazität beim Zusammenwickeln.

Anders als bei konventionellen Batterien richtet sich die Bauform von Lithium-Ionenakkus nach den Erfordernissen der Hersteller, nicht nach Normen. Bei einem Ausfall des Akkus muss die gesamte Akkueinheit ausgetauscht werden. Selbst wenn man die Akkueinheit öffnet, ist es nicht sichergestellt, dass die Ladeelektronik mit Ersatzakkus unbekannter Spezifikation zusammen arbeitet.

Anwendungen

Solarfahrzeug

Mit einem Lithium-Polymer-Akkumulator ist der Sky Ace TIGA ausgerüstet, mit 165 km/h Inhaber des Geschwindigkeitsweltrekords für Solarfahrzeuge.

Elektroauto

Die Batterietochter des französischen Mischkonzerns Group Bolloré, die Firma batScap, entwickelt einen Lithium-Polymer-Akkumulator und auf dessen Leistungsfähigkeit basierend ein Elektroauto mit der Bezeichnung Bluecar.

Modellbau

Lithium-Polymer-Akkumulatoren finden in den letzten Jahren eine schnelle Verbreitung im Modellbau, da er hier einen enormen Leistungsschub für ferngesteuerte Modelle bewirkte. Eingesetzt als Antriebs-, Empfänger- und Senderakku deckt er die ganze Sparte ab. Siehe auch Flugmodell.

MP3-Player

Während früher MP3-Player im Allgemeinen aus Preisgründen mit herkömmlichen Batterien oder Akkus bestückt wurden, so befinden sich heute vermehrt, vor allem auch bei Modellen des unteren Preissegmentes, dieser Akku-Typ. Was aber auch dazu führt, dass dieser entweder fest eingebaut ist oder ein propritäres Format hat was im Falle eines Defektes im Allgemeinen einen Totalschaden darstellt weil sich der Austausch, außerhalb der Gewährleistungszeit, finanziell nicht mehr lohnen würde.

Galvanische Zellen

Primärzellen:  Alkali-Mangan-Batterie | Daniell-Element | Leclanché-Element | Lithium-Batterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Braunstein-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen:  Bleiakkumulator | Natrium-Schwefel-Akkumulator | Nickel-Cadmium-Akkumulator | Nickel-Eisen-Akkumulator | Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | Nickel-Wasserstoff-Akkumulator | Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator | Lithium-Ionen-Akkumulator | Lithium-Mangan-Akkumulator | Lithium-Polymer-Akkumulator | Lithium-Titanat-Akkumulator | Vanadium-Redox-Akkumulator
Ausführungen:  Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)