Li-Ion Versionen

Es gibt eine ganze Reihe verschiedenster Li-Ion Akkus, die im Laufe der Zeit herausgebracht wurden. Sonys Originalversion nutzte Coke als negative Elektrode. Seit 1997 wechselten die meisten der Li-Ion Hersteller, einschließlich Sony, zu Graphit Diese Elektrode liefert eine flachere Spannungskurve als Coke und zeigt einen scharfen Abknick, gefolgt von rapidem Spannungsfall, bevor die Entladung ganz abbricht (siehe Abbildung 1). Dadurch kann die nutzbare Energie eines Graphitsystems durch Entladen bis zu 3 Volt wiedergewonnen werden, während die ursprünglich von Sony entwickelte Coke-Version bis auf 2.5 Volt herunter entladen werden mußte, damit die gleiche Leistung erzielt werden konnte.

Abbildung 1:  Entladecharakteristiken der Li-Ion mit Coke- und Graphitelektrode

Für die positive Elektrode entstanden zwei deutlich voneinander geprägte Chemiekomponenten. Es sind dies Kobalt und Mangan, letzteres auch als Spinell bekannt. Obwohl das Kobalt seit längerem angewandt wurde, ist doch Spinell in sich sicherer und wesentlich toleranter bei unsachgemässem Handeln. Schutzschaltkreise lassen sich einfacher gestalten oder können ganz entfallen. Kleine prismatische Spinellpacks für mobile Telefone können so z.B. nur über eine Thermalsicherung und einen Temperatursensor verfügen um der Sicherheit zu entsprechen. Hinzu kommt, daß die Grundmaterialkosten von Mangan geringer sind als von Kobalt.

Nachteilig ist lediglich die etwas geringere Energiedichte von Spinell, der Leistungsverlust bei Temperaturen über 40 º C, und der schnellere Alterungsverfall als bei Kobalt. Abbildung 2 vergleicht die Vor- und Nachteile dieser beiden unterschiedlichen Chemiekomponenten.

	Kobalt	Mangan (Spinell)
Energiedichte (Wh/kg)	1401	1201
Sicherheit	Beim Überladen gibt die Kobaltelektrode zusätzlich Lithium ab, daß sich in Lithium-metall umwandeln kann, wodurch ein mögliches Sicherheitsrisiko entstehen kann, falls kein Sicherungsschaltkreis besteht.	Beim Überladen verliert die Mangan-elektrode ihr Lithium, wodurch die Zelle lediglich erwärmt wird. Schutzschaltkreise können bei kleinen 1 und 2 Zellpacks entfallen.
Temperatur	Breiter Temperaturbereich	Leistungsverlust ab +40 º C
Alterung	Kurzzeitige Lagerung ist möglich. Impedanz erhöht sich mit dem Alter. Neuere Versionen bieten verlängerte Speicherfähigkeit.	Etwas weniger als bei Kobalt. Impedanz verändert sich nur gering während der Gesamtlebensdauer der Zelle. Aufgrund laufender technischer Verbesserungen läßt sich die Speicherzeit nur schwer bestimmen.
Lebenserwartung	300 Zyklen [E1]  , 50% Kapazität nach 500 Zyklen	Kann kürzer als bei Kobalt sein.
Kosten	Rohmaterialkosten sind relativ hoch; Schutzschaltkreis verursacht zusätzliche Kosten.	Rohmaterial 30% billiger als bei Kobalt. Kostenvorteil durch reduzierte Schaltkreise.

Abbildung 2:  Vergleich von Kobalt und Mangan als positive Elektroden.

¹ Basierend auf der gegenwärtigen 18650 Zellgeneration. Die Energiedichte ist bei prismatischen Zellen allgemein niedriger.

Chemikalien und Additive tragen ausgleichend dazu bei, die kritische Balance zwischen hoher Energiedichte, langer Lagerungszeit, verlängerter Zyklenlebensdauer und Sicherheitserfordernissen zu erreichen. Die hohe Energiedichte kann relativ leicht erreicht werden. Ein Hinzufügen von z.B. mehr Nickel anstatt von Kobalt steigert die Kapazität und senkt gleichzeitig die Herstellkosten, wobei jedoch die Zellen instabiler werden. Während ein neu in den Markt drängender Hersteller sich auf Zellen mit hoher Energiedichte konzentrieren mag, um schnell Marktanteile zu gewinnen, müssen in solch einem Fall Abstriche bei der Sicherheit, Lebensdauer, und bei der Lagerfähigkeit gemacht werden. Bekannte Hersteller wie Sony, Sanyo, Panasonic und NEC Moli legen einen besonders hohen Wert auf die Sicherheit ihrer Produkte.

Obgleich die Li-Ion Zellen gewissen Umweltschutzbestimmungen unterliegen, sind sie bei der Entsorgung weniger umweltgefährtend als z.B. auf Blei oder Kadmium basierende Akkus. Unter der Li-Ion Akku-Familie ist die Spinell am umweltfreundlichsten.