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Lithium-Ionen-Batterien von Jauch sind für viele Anwendung die ideale Energiequelle.

Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien
Als Energiespeicher die erste Wahl für mobile Geräte. Die hohe Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht ein sehr kompaktes Design der Akkupacks.

Lithium-Ionen-Batterie

Technische Spezifikation
Nenn-Spannung3.7 V nominal
Ladeschluss-Spannung4.2 V
Energiedichte100 – 160 Wh/kg
Laderate (C-rate)0.5 – 3 C typical
Entladerate (C-rate)0.2 C – 10 C
Zyklen Zahl300 – 1500
Temperatur Bereich-20°C ~ +60°C
Selbstentladung~ 3% / Monat

 

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1991 hat Sony den ersten Lithium-Cobaltdioxid-Akku für eine Videokamera auf den Markt gebracht. Anfangs nur in diesen tragbaren Geräten mit hohem Energiebedarf eingesetzt, findet man Lithium-Ionen-Batterien heute in unendlich vielen Anwendungen. Neben Mobiltelefonen, Laptops, Tablets oder Kameras finden sich die Akkus in Staubsaugern, Werkzeugen, Fahrzeugen und in sog. Storage-Anwendungen, großen Energiespeichern für die Speicherung der Energie aus Solarzellen. Die hohe Leistungsfähigkeit führt zu immer neuen Anwendungen, die bisher nicht mittels Batterie betrieben werden konnten.

Im Akkumulator können Lithiumionen (Li+) durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden frei wandern, wovon sich der Name des Akkus ableitet. Lithium-Ionen-Zellen zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Die nutzbare Lebensdauer beträgt mehrere Jahre; allerdings ist dies stark von der Nutzung und den Lagerungsbedingungen abhängig. Kritisch reagieren Lithium-Ionen Zellen vor allem auf Überladung. Daher sind Lithium-Ionen-Batterien mit einer Schutzelektronik versehen, die den Akku vor Überladung schützt. Beim Laden ist auf passende Ladegeräte zu achten. Lithium ist ein chemisches Element und das leichteste Metall. Es bietet für die Nutzung in Batterien zwei Vorteile: Es besitzt das größte negative Spannungspotential, außerdem ist es das leichteste Element in Festform.

Dabei ist die hier zugrundeliegende Idee, elektrische Energie mittels chemischer Prozesse zu speichern, schon über 200 Jahre alt. Sowohl für die einmalige als auch für die mehrfache Nutzung verwendet man dazu sogenannte galvanische Zellen, entweder einzeln oder zusammengeschaltet. Ein solches Element, auch Batteriezelle genannt, enthält zwei Elektroden aus leitfähigem Material und ein meist flüssiges Elektrolyt.

Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer Grafit-Elektrode (negativ) und einer Lithium-Metalloxyd-Elektrode (positiv). Das Lithium-Metalloxyd kann Mangan, Nickel oder Kobalt sein. Die Zusammensetzung hat Einfluss auf die Eigenschaften des Lithium-Ionen-Akkus und ist je nach Hersteller und Güteklasse unterschiedlich. Die Nennspannung von Lithium-Ionen-Zellen ist abhängig vom Elektrodenmaterial und liegt bei 3,6 oder 3,7 Volt, die Ladeschlussspannung in der Regel bei 4,2 Volt.

Die Elektroden werden durch einen Separator getrennt, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu verhindern. Der Separator ist für die Lithium-Ionen durchlässig. Die Kathode wirkt wie ein Schwamm. Sie kann so eine große Zahl von Ionen aufnehmen.

Inzwischen gibt es eine große Bandbreite an Rundzellen und prismatischen Zellen. Dabei werden unterschiedliche Aktivmaterialien, hauptsächlich auf Kathodenseite, verwendet.

Die Funktion ist prinzipiell identisch, die Kenndaten, wie Zellenspannung, Temperaturempfindlichkeit oder der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom, variieren bauartbedingt stark und sind wesentlich vom eingesetzten Elektrodenmaterial und Elektrolyt abhängig. Die Angabe des Subtyps (z. B. „Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator“) ist aus diesem Grund informativer als die Angabe des Oberbegriffs „Lithium-Ionen-Akkumulator“. Die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus verringert sich selbst ohne Benutzung mit der Zeit, hauptsächlich durch Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten. Die Zersetzungsgeschwindigkeit steigt mit der Zellspannung und der Temperatur. Eine Tiefentladung unterhalb 2,0 V kann den Akku dauerhaft schädigen. Zu empfehlen ist daher eine Lagerung bei Raumtemperatur und einem Ladezustand von 60 %, ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung.

Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkus bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Lithium-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich auch beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, womit die entnehmbare Leistung sinkt. Zudem können die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um –25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0–40 °C an. Optimal sind 18–25 °C. Unter 10 °C kann durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange für den Betrieb eines Camcorders oder einer Digitalkamera ausreicht.

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