Sie haben sie wahrscheinlich auf Ihrem Laptop gesehen. Sie sind auf Ihrem Telefon. Es versorgt die PDAs und Mediaplayer, die wir führen, mit Strom. Der Grund, warum diese Geräte in ihrer aktuellen Form existieren, ist einfach. Lithium-Ionen-Batterien bieten im Verhältnis zu ihrem Gewicht eine große Energiemenge. Es handelt sich außerdem um eine der leistungsstärksten wiederaufladbaren Optionen auf dem Markt.
Aber Sie haben wahrscheinlich die Horrorgeschichten gehört. Lithium-Ionen-Akkus können Feuer fangen. Dies kommt selten vor, da etwa zwei oder drei von einer Million Packungen von diesem Fehler betroffen sind. Aber wenn es scheitert, sind die Folgen gewalttätig. Die Ausfallraten können in die Höhe schießen, weltweite Rückrufe auslösen und Hersteller Millionen von Dollar kosten.
Warum sind sie so beliebt? Warum fängt es Feuer? Was können wir wirklich tun, um es zu verhindern oder dauerhaft zu machen? Wir brechen die Wissenschaft und die Sicherheit auf.
Vorteile der Energiedichte
Die Lithium-Ionen-Technologie ist Mainstream, weil sie die traditionelle Chemie in fast allen für Verbraucher wichtigen Kennzahlen übertrifft.
Erstens ist das Gewicht. Ein typischer Lithium-Ionen-Akku kann in nur einem Kilogramm 150 Wattstunden Strom speichern. Im Vergleich zu anderen gängigen Typen ist der Unterschied enorm. NiMH-Akkus (Nickel-Metallhydrid) können 100 Wattstunden pro Kilogramm speichern, üblicher sind jedoch 60–70 Wattstunden. Blei-Säure-Batterien? Es ist schwierig, 25 Wattstunden pro Kilo zu speichern.
Um die gleiche Energie aus Bleisäure zu gewinnen, benötigen Sie eine 6-kg-Batterie. Das ist ein 6-facher Unterschied. Die Elektroden bestehen aus leichtem Lithium und Kohlenstoff. Lithium ist sehr reaktiv. Seine Atombindungen speichern große Energiemengen und verleihen Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Energiedichte.
Kein Memory-Effekt und langsame Selbstentladung
Abgesehen vom Gewicht halten diese Akkus ihre Ladung weitaus besser als ihre Vorgänger. Lithium-Ionen-Akkus verlieren pro Monat nur etwa 5 % ihrer Ladung. NiMH-Akkus verlieren 20 % ihrer Ladung. Wenn Sie die Geräte einen Monat lang in Ruhe lassen, fangen Sie nicht bei Null an.
Es gibt auch keinen Memory-Effekt. Es ist nicht erforderlich, ihn vor dem Laden vollständig zu entleeren. Diese Bequemlichkeit hat die Art und Weise verändert, wie wir tragbare elektronische Geräte nutzen. Laden Sie Ihren Akku auf, wann wir wollen, nicht weil der Akku es verlangt.
Lithium-Ionen-Batterien können Hunderte von Lade-Entlade-Zyklen ohne nennenswerte Leistungseinbußen überstehen. Für den durchschnittlichen Benutzer bedeutet dies jahrelangen zuverlässigen Service.
Die Mängel: Erniedrigung und Gefahr
Diese Batterien sind nicht perfekt. Sie haben gravierende Schwächen.
Der Verfall beginnt, sobald es das Werk verlässt. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beträgt 2-3 Jahre ab Herstellungsdatum. Selbst wenn Sie es nicht öffnen, bringt die Zeit sie um.
Hitze ist ihr Feind. Hohe Temperaturen führen dazu, dass Lithium-Ionen-Akkus viel schneller verschleißen als normal. Wenn Sie Ihr Telefon in einem heißen Auto liegen lassen, kann dies seine Lebensdauer verkürzen.
Lithium-Ionen-Akkus versagen, wenn sie vollständig entladen sind. Eine Tiefentladung zerstört die Chemikalien dauerhaft.
Sie benötigen außerdem einen Bordcomputer, um das Gerät zu steuern. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität. Lithium-Ionen-Batterien benötigen dieses Managementsystem, um Überladung und Tiefentladung zu verhindern. Dadurch sind sie teurer als einfache Batterien.
Es besteht auch Brandgefahr. Wenn der Lithium-Ionen-Akku nicht funktioniert, besteht ein geringes Risiko, dass er Feuer fängt. Dies ist nicht nur ein theoretisches Risiko. Dies ist eine bekannte Gefahr und die Hersteller arbeiten ständig daran, sie zu reduzieren.
Innere Chemie
Um zu verstehen, warum sich diese Batterien so verhalten, müssen wir in ihr Inneres schauen. Die Chemie bestimmt alles, von der Frage, warum etwas leicht ist, bis zur Ursache, warum es explodiert. Wir werden uns als nächstes damit befassen.
Sie werden nichts Magisches finden, wenn Sie einen Laptop-Akku auseinandernehmen. Es sind nur Zellen und Schaltkreise. Dies wird nicht empfohlen. Ein Kurzschluss in Lithium-Ionen-Batterien kann einen Brand verursachen. Sobald Sie es jedoch sicher auseinandernehmen können, werden Sie feststellen, dass seine innere Struktur unabhängig von Marke oder Modell überraschend einheitlich ist.
Der Kern besteht aus einem Lithium-Ionen-Akku. Es gibt sie in zwei Hauptformen. Zylindrische Batterien sehen aus wie übergroße AA-Batterien. Prismatische Zellen sind flache Rechtecke. Sie werden in einer Metallhülle gestapelt oder eingewickelt. Diese Hülle ist nicht nur eine Verpackung. Es hält Druck. Wenn der Innendruck aufgrund von Hitze oder Überladung zu hoch wird, öffnet sich die Entlüftung. Es setzt Gas frei. Danach ist die Batterie wahrscheinlich leer. Dies ist ein ausfallsicheres Gerät. Vermeiden Sie Explosionsszenarien. Es gibt auch Schalter mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC). Es unterbricht den Strom, wenn es zu heiß wird.
Aber die wahre Geschichte ist der Controller.
Gehirn in einem Ziegelstein
Zwischen den Zellen verbirgt sich eine kleine Systemplatine. Es handelt sich im Prinzip um einen Mikrocontroller. Dieses Batteriemanagementsystem kümmert sich um alles.
Die Überwachung und Kontrolle umfasst:
- Temperatursensor prüft ständig das Temperaturniveau.
- Spannungswandler und -regler halten Strom und Spannung innerhalb sicherer Grenzen.
- Geschützter Laptop-Anschluss ermöglicht den Strom- und Datenfluss zwischen Akku und Laptop.
- Voltage Tap überwacht die Energiekapazität jeder Batterie.
- Ladestatusmonitor funktioniert als Minicomputer. Passen Sie den Download-Prozess an, um Geschwindigkeit und Sättigung zu maximieren.
Dieser Computer ist komplex. Es funktioniert, indem es seine eigene Energie aus der Batterie bezieht. Lithium-Ionen-Akkus haben einen geringen Energieverbrauch und verlieren bei Nichtgebrauch etwa 5 % ihrer Ladung pro Monat.
Warum ist mein Akku leer?
Das Managementsystem unterliegt strengen Regeln. Wenn der Akku während des Gebrauchs oder Ladevorgangs zu heiß wird, schaltet der Controller den Strom ab. Es versucht abzukühlen. Vielleicht haben Sie das schon einmal gesehen. Lassen Sie Ihren Laptop in einem heißen Auto. Versuchen Sie, es einzuschalten. Der Batteriecontroller verhindert das Starten. Warten Sie, bis die Temperatur sinkt.
Es überwacht auch die Gesundheit Ihrer Zellen. Die Batterieeinheit schaltet sich aus, wenn die Batterie vollständig leer ist. Eine Tiefentladung kann Lithium-Ionen-Akkus zerstören. Der Controller lässt die Verwendung eines beschädigten Pakets nicht zu.
Es verfolgt auch Lade-/Entladezyklen. Diese Informationen werden in die Batterieanzeige des Laptops eingespeist. So weiß das Betriebssystem, wie viel Strom noch übrig ist. Dies ist keine Vermutung. Es erhält Echtzeitdaten vom Bordcomputer.
Das Metallgehäuse ist sehr wichtig
Das Gehäuse besteht in der Regel aus Metall. Das ist nicht willkürlich. Lithium-Ionen-Batterien arbeiten unter Druck. Metallgehäuse halten diesem Druck stand. Es schützt auch die internen elektronischen Komponenten.
Das Entlüftungsloch ist kritisch. Es ist druckempfindlich. Wenn die Batterie bis zur Explosion überhitzt, wird überschüssiges Gas durch die Entlüftungsöffnungen freigesetzt. Dies ist eine Einbahnstraße. Sobald es entlüftet ist, ist die Versiegelung gebrochen. Die Batterie ist beschädigt.
Der PTC-Schalter arbeitet mit der Entlüftung zusammen. Mit steigender Temperatur erhöht sich der Widerstand, um eine Überhitzung zu verhindern. Dadurch wird der Stromfluss eingeschränkt. Dies spart Zeit, bis das System abgekühlt ist oder der Benutzer das Ladegerät abtrennt.
Diese Sicherheitsmerkmale sind der Grund dafür, dass moderne Batterien nicht bei jedem Ladevorgang explodieren. Sie bedeuten aber auch, dass Batterien komplexer sind als einfache Energiespeicher. Es ist der Wirkstoff. Ich denke darüber nach. Es ist entschieden. In einigen Fällen werden Sie möglicherweise gebeten, zu warten.
In der Zelle
Entfernen Sie das Metallgehäuse, um eine lange Spirale freizulegen. Es sind nicht nur Drähte. Es wird hergestellt, indem drei dünne Scheiben fest zusammengepresst werden.
–Positiv
–Minuspol
– Trennzeichen
Weichen Sie es in einem organischen Lösungsmittel ein. Äther ist hier sehr verbreitet. Das Lösungsmittel übernimmt als Elektrolyt die Hauptarbeit.
Separatoren sind unbesungene Helden. Dabei handelt es sich um eine mikroporöse Kunststofffolie. Dünn wie Seidenpapier. Seine Aufgabe ist einfach, aber streng. Verhindert, dass sich Plus- und Minuspole berühren. Bei Berührung entsteht ein Kurzschluss. Es lässt jedoch Ionen durch. Diese Poren sind klein genug, um physischen Kontakt zu verhindern, aber offen genug, damit das Lithium schwimmen kann.
Die innere chemische Zusammensetzung ist spezifisch. Als positive Elektrode wird Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) verwendet. Negative Elektrode? Nur Kohlenstoff.
Das Gleichgewicht ändert sich während des Ladevorgangs. Aus LiCoO2 entstehen Lithiumionen. Sie passieren Elektrolyte. Sie landen auf dem Kohlenstoff.
Beim Entladen wird der Fluss umgekehrt. Die Ionen kehren vom Kohlenstoff zu LiCoO2 zurück.
Dies ist eine einfache Schleife. Wenn Sie jedoch einen Fehler machen, brennt Ihr Telefon.
Die chemischen Reaktionen im Inneren einer Lithium-Ionen-Batterie sind ein Hochspannungsspiel. Jede einzelne Zelle erzeugt 3,7 Volt. Diese Zahl ist wichtig, da sie mehr als das Doppelte der 1,5 Volt einer Standard-AA-Alkalibatterie beträgt. Sie können diese in jedem Lebensmittelgeschäft kaufen. Eine höhere Spannung bedeutet, dass weniger Batterien in Reihe geschaltet werden müssen, um das Gerät mit Strom zu versorgen. Weniger Zellen bedeuten weniger physischen Platz. Diese Effizienz macht Smartphones sehr dünn und leicht. Das ist keine Zauberei. Es erhöht lediglich die Energiedichte.
Vorteile der Spannung in der tragbaren Technologie
Wenn Sie jemals ein klobiges altes Klapptelefon mit einer modernen Glasscheibe verglichen haben, liegt der Unterschied in der chemischen Zusammensetzung. Alkalibatterien sind groß. Um die erforderlichen Spannungen für komplexe Schaltkreise zu erreichen, sind mehrere Einheiten erforderlich. Lithium-Ionen-Batterien können die gleiche Funktion bei einem Bruchteil der Größe erfüllen. Diese Kompaktheit ist der Hauptgrund, warum wir taschenfreundliche Geräte haben. Aber es gibt auch Kompromisse. Eine hohe Energiedichte bedeutet auch, dass viel Energie freigesetzt wird, wenn etwas schief geht. Wir kommen bald zum Explosionsteil. Lassen Sie uns zunächst herausfinden, wie wir die Lebensdauer verlängern können.
Verlängern Sie die Akkulaufzeit
Wir wollen die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verlängern. Niemand möchte einen Ziegelstein tragen, der vor Mittag auseinanderfällt. Ziel ist es, die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verlängern, ohne die täglichen Aufgaben unnötig zu erschweren. Diese Chemikalie reagiert empfindlich auf Hitze und extreme Ladebedingungen.
– Vollentladungen vermeiden. ** Wenn Ihr Telefon vollständig ausfällt, kann dies zu einer Belastung der Elektrolyte führen.
– ** Bleiben Sie nicht ewig bei 100 %. ** Maximale Spannung beschleunigt die Verschlechterung.
– Bleib cool. ** Hitze ist dein Feind. Lassen Sie das Gerät nicht in einem heißen Auto liegen.
Die meisten Hersteller empfehlen, die Ladung für den täglichen Gebrauch zwischen 20 % und 80 % zu halten. Das bedeutet nicht, dass es perfekt ist. Dies reduziert die Belastung der internen Komponenten. Für die Verwaltung sind keine speziellen Anwendungen erforderlich. Entfernen Sie es erst, wenn der Akku fast voll ist. Nicht auf Null entleeren.
Warum explodieren Lithium-Ionen-Batterien?
Sie haben die Geschichte wahrscheinlich schon gehört. Das Telefon brennt. Laptops gehen in Flammen auf. Klingt nach Science-Fiction. Dies stellt jedoch ein großes Risiko für die Lithium-Ionen-Chemie dar. Warum explodiert es?
Die Antwort liegt in Elektrolyten. Entflammbar. Ein thermisches Durchgehen tritt auf, wenn interne Strukturen versagen. Es entsteht Hitze. Wärme erzeugt mehr Wärme. Der Separator zwischen Anode und Kathode schmilzt. Die beiden Seiten berühren sich. Es ist ein Kurzschluss aufgetreten. Brennbare Elektrolyte können sich entzünden.
Das passiert nicht oft. Moderne Geräte verfügen über Sicherheitsschaltungen, die den Strom unterbrechen, bevor sie zu heiß werden. Aber wenn die Sicherheit gefährdet ist, sind die Folgen gewalttätig. Der Druck im geschlossenen Gehäuse steigt. Schließlich platzt die Schale. Entlüftung findet statt. Es kann zu einer Entzündung kommen.
Wir haben untersucht, wie Hochspannung diese Batterien kompakt und effizient machen kann. Wir haben untersucht, wie wir ihre Lebensdauer verlängern können. Wir haben bereits über die Gefahren des thermischen Durchgehens gesprochen. Technologie ist mächtig. Es ist auch instabil. Es besteht ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Leistung und Sicherheit. Wir nutzen diese Geräte täglich. Sie vertrauen darauf, dass sie Ihr Haus nicht niederbrennen. In den meisten Fällen ist dieses Vertrauen berechtigt. Aber die zugrunde liegende Chemie ist immer noch stark.
Maximieren Sie die Akkulaufzeit und Sicherheit
Lithium-Ionen-Batterien sind teuer. Wenn Sie möchten, dass Ihr Produkt im Rahmen der Garantie länger hält, müssen Sie die Art und Weise ändern, wie Sie damit umgehen. Die Chemie mag keine Tiefentladungen. Bevorzugt einen teilweisen Entleerungszyklus. Reduzieren Sie die Spannung nicht auf Null. Verursacht dauerhafte Schäden an den Zellen. Da es keinen „Memory-Effekt“ gibt, schadet ein frühes Laden dem Akku nicht. Halten Sie sich vom absoluten Tiefpunkt fern.
Altern ist unvermeidlich. Diese Packungen halten zwei bis drei Jahre. Sammeln Sie keine Batterien in dem Glauben, dass sie fünf Jahre halten, auch wenn Sie sie noch nie angeschlossen haben. Nein. Achten Sie beim Kauf von Ersatzteilen auf das Herstellungsdatum. Wenn Sie es auch nur ein Jahr lang im Regal lassen, verkürzt sich seine Lebensdauer.
Hitze ist dein Feind. Hohe Temperaturen können die Leistung interner Komponenten schnell beeinträchtigen. Halten Sie Ihr Gerät kühl.
Warum explodieren Lithium-Ionen-Batterien?
Wir wissen, wie lange sie halten. Betrachten wir nun, warum sie manchmal katastrophal scheitern.
Ein Brand entsteht, wenn die Innentemperatur ansteigt und sich der Elektrolyt entzündet. Virale Videos von rauchenden Laptops beweisen, wie ernst das Problem ist. Der Bericht „Summer of Laptop Explosions“ der Canadian Broadcasting Corporation (CBC) beschreibt mehrere solcher Vorfälle.
Diese Brände werden meist durch interne Kurzschlüsse verursacht. Im Inneren einer Lithium-Ionen-Batterie trennt ein Separator die positiven und negativen Elektroden. Wenn dieser Separator durchsticht, berühren sich die Elektroden. Dadurch erwärmt es sich schnell. Sie haben das wahrscheinlich schon erlebt, wenn Sie eine 9-Volt-Batterie in der Tasche haben. Wenn Sie die Anschlüsse mit einer Münze o.ä. kurzschließen, entsteht eine erhebliche Wärmemenge.
Bei Lithium-Ionen-Batterien entsteht dieser Kurzschluss intern. Die freigesetzte Energiemenge ist enorm. Durch die Hitze entweicht das als Elektrolyt verwendete organische Lösungsmittel. Ein Funke oder Umgebungswärme können einen Brand verursachen. Wenn eine Batterie Feuer fängt, kann sich die thermische Kaskade auf andere Teile der Batterie ausbreiten. Die ganze Einheit geht hoch.
Brände sind selten. Dennoch reichten einige Vorfälle und einige Nachrichtenberichte aus, um einen großen Rückruf auszulösen.
FAQ zur Lithium-Ionen-Technologie
Wie lange hält ein Lithium-Ionen-Akku?
Es kann Hunderte von Ladezyklen unterstützen. In der Realität beträgt die erwartete Lebensdauer 2-3 Jahre, bevor die Kapazität deutlich nachlässt.
Was genau ist ein Lithium-Ionen-Akku?
Wiederaufladbarer Akku in Laptops und Mobiltelefonen. Wenn sich Lithiumionen von der negativen Elektrode durch den Elektrolyten zur positiven Elektrode bewegen, wird Strom erzeugt.
Wie viel kosten Lithium-Ionen-Batterien?
BloombergNEF berichtet, dass die durchschnittlichen Kosten im Jahr 2020 137 US-Dollar pro Kilowattstunde betrugen. Smartphone-Akkus kosten zwischen 2 und 4 US-Dollar. Batteriepakete für Elektrofahrzeuge kosten zwischen 7.000 und 20.000 US-Dollar. Die Preise sind in den letzten 10 Jahren um etwa 88 % gefallen und werden weiter fallen.
Was sind die Hauptnachteile?
Manchmal kann es Feuer fangen. Die Ausfallrate ist sehr gering und liegt bei etwa zwei bis drei Packungen pro Million. Es ist sehr hitzeempfindlich, was seinen Verfall beschleunigt. Die Alterung beginnt, sobald es das Werk verlässt. Ungenutzte Zeit stoppt die Uhr nicht.
Gibt es eine bessere Batterietechnologie?
Noch nicht. Derzeit gibt es keine andere Batterietechnologie, die mit der Lithium-Ionen-Technologie konkurrieren kann. Es wird eine höhere Energiedichte erreicht. Unterstützt mehrere Zyklen. Es lädt schneller. Und in vielen Fällen sind sie sicherer in der Anwendung als die Alternativen.
