Lithium-Ionen-Akku

Eigentlich könnte mal alle Typen von Lithium-Akkus, als Lithium-Ionen-Akku bezeichen, da im Akku immer Ionen am Werk sind. Üblicherweise wird diese Bezeichunung aber zur Abgrenzung gegenüber den (kostengünstiger herzustellenden) Lithium-Polymer-Akkus (LiPo -> Elektrolyt in Polymerform) verwendet, die zwar sehr hohe Energiedichte ermöglichen, aber deutliche Schwächen bei Lebensdauer und in der Betriebssicherheit unter rauhen Bedingungen aufweisen. Aktive Zellenmaterialien sind beim Lithium-Ionen-Akku neben (dem auch bei LiPo-Akkus eingesetzten) Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) auch andere Mischoxide wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), Lithium-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und Lithium-Mangan-Oxid (LiMn, LMO), die die Zyklenfestigkeit der Zellen erhöhen. Diese Akku-Typen liegen in der Zellen-Nennspannung zwischen 3,6 und 3,7 Volt (LCO). Aber von der Ladeschlussspannung (4,2 Volt) und der Entladeschlussspannung (3,0 Volt = SOC 0%) her im gleichen Betriebsbereich. Der Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4, LFP oder LYP) muss wegen seiner deutlich geringeren Zellenspannung von 3,2 bis 3,3 Volt einer eigenen Akku-Klasse zugeordnet werden, da aufgrund der geringeren Ladeschlussspannung im Bereich 3,6-3,8 Volt spezielle Einstellungen beim BMS (Batterie-Management-System) und dem Ladegerät erforderlich sind. Eine ebenfalls abweichende Klasse sind die Lithium-Titanat-Oxid-Akkus (LTO) die mit nur 2,3 bis 2,4 Volt eine noch geringere Spannungslage aufweisen, dafür aber in der Lebensdauer und im Kälte-Verhalten überragend sind.

Moderne Li-Ion-Akkus sind (auch aus Sicherheitsgründen) aus einer Vielzahl kleiner Akkuzellen aufgebaut, die parallel und seriell verdrahtet sind. Ein Akku mit 48 Volt und 35 Ah kann z. B. in der Konfiguration 13s11p bzw. 14s11p (je 11 Zellen mit 3.200 mAh parallel verbunden und davon 13 Zellenpakete à 3,7 Volt oder je nach Zellentechnologie 14 Pakete à 3,6 Volt in Serie) erstellt werden. Oft werden heute Akku-Pakete aus standardisierte Zellen der Größe 18650 verwendet, deren Pole mehrfach punktverschweißt mit Stegblechen verbunden sind. Das Tauschen einzelner defekter Zellenpakete erfordert dann einen gewissen Arbeitsaufwand. Die seriellen Zellenstufen werden vom Batterie-Management-System (BMS, meist mit im Akku eingebaut) überwacht und ballanciert (Spannungsabgleich), um gefährliche Überladung von Zellen auszuschließen. Bei 13 seriellen Stufen führen dann 14 dünne Kabel von den Polen der Akku-Stufen zum BMS, um alle Spannungswerte der einzelnen Akku-Pakete zu erfassen. Bei zu starker Entladung aber auch bei drohender Überladung, kann das BMS so warnen und ggf. aktiv eingreifen, in dem der Fahrbetrieb abgeschaltet oder die Verbindung zum Ladegerät getrennt wird. Am Ende des Ladevorgangs sollten bei Lithium-Akkus ggf. vorhandene Spannungsunterschiede der seriellen Zellen angeglichen werden => Ballancieren. Oft wird hierzu durch das BMS ein Anteil des Ladestrom um jene Zellen(-pakete) herumgeleitet, die sich bereits der Vollladung genähert haben, um auch die übrigen Zellen noch weiter aufladen zu können. Je nach Hersteller variiert ggf. die technische Ausführung des BMS.

Die Lithium-Zellen vertragen oft hohe Ladeströme, mit denen (bei geeignetem Ladegerät) die Akkus z. B. in 1,5-3 Stunden aufgeladen werden könn(t)en. Für die letzten paar Prozent Ladung dauert es aber (zum vollständigem Aufladen, mit veringertem Ladestrom in der Ballancierungsphase) einige Zeit länger.

Neuen Akkus sollte, soweit dies nicht schon beim ausliefernden Händler geschehen ist, in den ersten Tagen ausreichende Zeit am Ladegerät gegeben werden, um die Spannungsunterschiede zwischen den Zellen vollständig abbauen und eine vollständige Ladung erreichen zu können.

Die Lebensdauer der Li-Ion-Zellen hat inzwischen eine für ein Rollerleben tragbare Zyklenfestigkeit von 800 bis 1.000 Vollzyklen erreicht (in Labormessungen). Wird pro durchschnittlichem Ladezyklus nur ein Teil (z. B. 50%) der Energie entnommen und dann nachgeladen, erhöht sich die Zyklenlebensdauer, um ein Vielfaches. Der Preis der Akku-Zellen macht aber weiterhin einen sehr großen Anteil am Preis des Fahrzeugs aus. Die mögliche Nutzungszeit des Akkus hat daher maßgeblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs.

Im Winter lässt die Leistungsfähigkeit und die Reichweite der Lithium-Ionen-Akkus deutlich nach. Der Effekt verstärkt sich noch, wenn der Akku im kalt stehenden Fahrzeug geladen wird (NIU empfiehlt den Akku bei über 10°C zu laden). Eine Reduktion der erzielbaren Reichweite von mindestens 10% bis 20% sollte bei der Streckenplanung einfließen. Die meisten Zellen sind auch für Laden unter 0°C nicht spezifiziert. Entnehmbare Akkus sollten also besser in der warmen Wohnung geladen werden und erst zum Betrieb ins Fahrzeug eingesetzt werden. Auch für die Rückfahrt von der Artbeit kann es sinnvoll sein, den Akku tagsüber mit ins Warme genommen zu haben, um dessen Leistungswilligkeit für die Rückfahrt zu erhalten. Eine Akkuheizung, wie im Elektro-Auto, haben die Roller ja meist nicht und im Fahrbetrieb wärmen die Zellen nur recht langsam auf.

Soll das Fahrzeug über den Winter "eingemottet" werden, macht es im Hinblick auf die Zellenlebensdauer Sinn, den Akku vorher auf 70-90% Ladezustand zu bringen. Dieser kann dann auch kühl gelagert werden und hält (elektrisch getrennt vom Roller) genügend Ladung bis ins Frühjahr.

Meldungen über brennende Laptop- oder Smartphone-Akkus haben die Frage der Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus aufgeworfen. Da bei Fahrzeug-Akkus nicht die höchste Energiedichte das primäre Entwicklungsziel ist, sondern auch die Zyklenlebensdauer, werden hier die besonders sensiblen Lithium-Cobalt-Oxid-Zellen quasi nicht mehr eingesetzt. Die hier verwendeten Technologien NMC, NCA und LMO sind sicherer, erfordern aber ebenso eine Einzelzellenüberwachung durch ein BMS, um im sicheren Betriebsbereich gehalten zu werden. Sofern am Akku keine Unfallschäden, Kantaktierungsdefekte (z. B. Herstellungsfehler) oder Defekte des BMS vorliegen, kann man sich also einigermaßen sicher fühlen und den Akku unbeaufsichtigt aufladen lassen. Bei beschädigten und anderweitig defekten Akkus ist etwas Vorsicht aber angebracht.