Lithium-Ionen-Akku

Smartphone, Laptop, Akkuschrauber, E-Bike, Powerbank, Elektroauto: Fast alles, was heute mobil Strom braucht, läuft mit Lithium-Ionen-Zellen. Keine andere verbreitete Akkutechnik speichert so viel Energie pro Kilogramm. Der Preis dafür ist ein enges Spannungsfenster: Wenige hundert Millivolt zu viel beim Laden oder zu wenig beim Entladen schädigen die Zelle, und eine beschädigte Zelle kann brennen. Wer mit Lithium-Ionen-Zellen entwickelt, muss deshalb Laden, Schützen und Verdrahten ernst nehmen.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Lithium-Ionen-Zelle speichert Energie, indem Lithium-Ionen zwischen zwei Wirtsgittern hin- und herwandern, ohne dass sich Metall auflöst oder abscheidet. Die negative Elektrode (im Datenblatt „Anode“) ist Graphit auf einer Kupferfolie, die positive („Kathode“) ein lithiumhaltiges Metalloxid auf einer Aluminiumfolie. Dazwischen liegt ein poröser Kunststoff-Separator, getränkt mit einem brennbaren organischen Elektrolyten. Das Prinzip der Einlagerung und die Reaktionsgleichung stehen unter Sekundärelemente.

In einer Rundzelle sind diese vier Lagen zu einem dichten Wickel aufgerollt und in einen Stahlbecher eingesetzt, der den Minuspol bildet. Der Deckel mit dem Pluspol enthält mehrere Schutzelemente: ein Berstventil, das bei Überdruck Gas ablässt, oft einen Stromunterbrecher (CID), der bei Druckanstieg den Kontakt trennt, und manchmal eine PTC-Scheibe gegen Überstrom.

Welches Metalloxid die Kathode bildet, bestimmt die Eigenschaften:

Die Hersteller nennen die Chemie oft im Typcode: ICR steht für Cobalt, INR für Nickel-Mangan-Cobalt, IMR für Mangan, IFR für Eisenphosphat. Der LiFePO4-Akku verhält sich so anders, dass er einen eigenen Artikel hat; alles Folgende gilt für die 3,6-V-Chemien.

Schaltzeichen

Die Zelle zeichnest du mit dem üblichen Batteriesymbol: langer dünner Strich Plus, kurzer dicker Strich Minus, Referenz BT (siehe Schaltzeichen). Bei Packs gibst du Konfiguration und Chemie an, etwa „2S1P Li-Ion 7,2 V 3,4 Ah“; die Schreibweise mit S und P erklärt Akkus im Vergleich.

Entladekurve und Kennwerte

Beim Entladen fällt die Spannung zuerst von 4,2 V auf rund 3,9 V, sinkt dann langsam und gleichmäßig über 3,7 V auf etwa 3,5 V und knickt am Ende steil ab. Weil die Kurve nicht ganz flach ist, kannst du aus der Spannung den Ladezustand grob ablesen – genauer wird es mit einem Ladungszähler (Fuel Gauge), der den Strom aufsummiert.

Datenblattbeispiel: Samsung INR18650-35E

Die 35E ist eine verbreitete NMC-Rundzelle für Akkupacks mit mittlerem Strom:

Bauformen

Rundzellen tragen ihre Maße im Namen: 18650 heißt 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge. Gängig sind 14500 (AA-Format), 18650, 21700 und für Elektroautos 4680. Prismatische Zellen stecken in einem flachen Aluminiumgehäuse. Pouch-Zellen sind in eine Folie eingeschweißt und werden meist als LiPo bezeichnet – sie haben einen eigenen Artikel unter Lithium-Polymer-Akku. Eine Übersicht der Rundzellen-Größen mit Kapazitäten findest du unter Batteriegrößen im Vergleich.

Rundzellen gibt es ungeschützt und geschützt. Die geschützte Variante hat eine kleine Schutzplatine am Minuspol und ist dadurch ein paar Millimeter länger – manche Halter nehmen sie nicht auf. Für Packs verwendet man ungeschützte Zellen mit einer gemeinsamen Schutzschaltung.

Schutzschaltung

Jede Lithium-Ionen-Zelle braucht einen Wächter, der sie bei Fehlern abtrennt. Für eine einzelne Zelle genügt ein kleiner Schutz-IC mit zwei MOSFETs im Minuspfad: einer unterbricht das Entladen, der andere das Laden. Typische ICs wie der DW01A trennen bei etwa 4,25–4,3 V (Überladung), bei rund 2,4–2,5 V (Tiefentladung) und bei Überstrom, den sie über den Spannungsabfall an den MOSFETs messen.

Diese Schaltung ist eine Notbremse, kein Laderegler. Ihre Schwellen liegen bewusst außerhalb des normalen Betriebsfensters. Die Ladung selbst übernimmt ein Lade-IC nach dem CC/CV-Verfahren, wie es Akkus richtig laden beschreibt. Bei mehreren Zellen in Reihe überwacht ein Batteriemanagementsystem jede Zelle einzeln und gleicht sie aus.

Typische Anwendungen

• Einzelzelle (1S): Mikrocontroller-Projekte, Taschenlampen, Bluetooth-Geräte. Ein LDO-Regler oder ein Schaltregler-IC macht daraus 3,3 V.
• Mehrzellige Packs: 2S für 7,2 V, 3S für 10,8 V, 4S für 14,4 V – in Werkzeugen, Drohnen und Laptops.
• Große Packs: E-Bike (10S mit 36 V), Elektroauto (96S und mehr).

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Zelle nach Energie und Strom: Hochkapazitätszellen liefern 5–10 A, Hochstromzellen 20–30 A bei weniger Kapazität. Kaufe nur bei Händlern, die Originalzellen nachweisen; Angaben wie „9900 mAh“ auf einer 18650 sind immer gefälscht.

Häufige Fehler:

• Direkt an die Zelle gelötet: Die Hitze schädigt Dichtung und Separator. Packs werden mit Nickelstreifen punktgeschweißt; für Einzelzellen nimmst du Halter oder Zellen mit Lötfahnen.
• Zellen mit unterschiedlicher Spannung parallel geschaltet: Die vollere Zelle lädt die leerere mit einem Strom, den nur die Innenwiderstände begrenzen. Gleiche die Spannungen vorher auf wenige 10 mV an.
• Laden unter 0 °C: Lithium scheidet sich als Metall auf dem Graphit ab, statt sich einzulagern. Das kostet Kapazität und kann später innere Kurzschlüsse verursachen.
• Tiefentladene Zelle normal geladen: Eine Zelle, die lange unter 2 V lag, kann innere Kupferbrücken gebildet haben. Gute Lader laden sie zuerst mit kleinem Strom vor; eine Zelle, die dabei warm wird, gehört entsorgt.
• 14500 statt AA: Sie passt in jedes Mignon-Fach, liefert aber 3,7 statt 1,5 V.
• Kein Temperaturfühler im Pack: Ein NTC-Heißleiter zwischen den Zellen lässt Lader und Gerät bei Überhitzung abschalten.

Alte Lithium-Ionen-Akkus gehören zum Händler oder auf den Wertstoffhof, nie in den Hausmüll – im Müllfahrzeug gequetscht, lösen sie regelmäßig Brände aus. Klebe die Pole vor der Abgabe ab.

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