Lithium-Ionen-Akkus

Was Staplerfahrer und Logistiker über Lithium-Ionen-Akkus wissen sollten

Lithium-Ionen-Akkus sind eine relativ junge Entwicklung. Auch in der Batterietechnik für Stapler und Hubwagen sind sie noch recht neu, doch bei den aktuellen Modellen vieler Hersteller werden sie mittlerweile als Alternative zu anderen batterieelektrischen Antrieben angeboten. Die Akkus können besonders kompakt konstruiert werden und verfügen über eine hohe Energiedichte, wodurch sie hohe Stromstärken liefern. Außerdem leiden Li-Ion-Akkus deutlich weniger unter dem gefürchteten Memory-Effekt, der bei längerer Nutzung und entsprechend vielen Ladezyklen die Kapazität der Batterie immer weiter verringert.

Hierdurch sind Li-Ion-Akkus nicht nur besonders langlebig, sondern sie vertragen auch kurzzeitige Zwischenladungen ohne Probleme. Das macht diese moderne Batterietechnik optimal für Stapler und Hubwagen. Damit können die Geräte, z. B. in Pausen, ohne Bedenken ans Ladegerät angeschlossen und schon nach 15-30 Minuten wieder produktiv eingesetzt werden.

Wie ist ein Lithium-Ionen-Akku aufgebaut?

Der Aufbau von Li-Ion-Akkus unterscheidet sich deutlich von dem klassischer Batterietypen wie z. B. einer Blei-Säure-Batterie. Gemeinsam ist allen Varianten der generelle Aufbau und die Funktion. Eine Li-Ion-Staplerbatterie besteht aus mehreren Zellen, die identisch aufgebaut und in Reihe geschaltet sind. Jede Zelle besteht wiederum aus folgenden Elementen:

• Positive Elektrode (Kathode): Diese besteht aus Lithium-Metalloxid mit veränderlichen Anteilen von Nickel, Mangan und Kobalt. Die Metalloxide bilden das sogenannte Übergangsmetall. Die Lithium-Ionen dienen als Ladungsträger und bewegen sich in der gesamten Zelle zwischen Kathode und Anode.
• Negative Elektrode (Anode): Sie besteht in der Regel aus Graphit.
• Elektrolyt: Um eine Bewegung der Lithium-Ionen zu ermöglichen, ist ein (in der Regel flüssiger) wasserfreier Elektrolyt erforderlich. In diesem sind Metallsalze wie Lithiumhexafluorophosphat in einem Lösungsmittel (z. B. Diethylcarbonat oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen) gelöst.
• Separator: Der Separator im Inneren von Li-Ion-Akkus steuert und sichert die elektrochemischen Reaktionen, die im Inneren des Akkus ablaufen. Je nach Bauform handelt es sich um ein Vliesgewebe oder polymere (= aus vielen gleichen Teilen aufgebaute) Folien. Seine Funktion besteht zum einen darin, Kathode und Anode voneinander zu isolieren, um einen Kurzschluss innerhalb des Akkus zu verhindern. Aufgrund seiner Struktur lässt der Separator nur die Li-Ionen durch, so dass sie sich von der negativen zur positiven Elektrode bewegen können. Und nicht zuletzt stellt der Separator sicher, dass in der geschlossenen Akku-Zelle ein Gasaustausch erfolgen kann.

Um mehrere Zellen zu einem Gesamtsystem zusammenzuschalten, ist ein Kontrollsystem erforderlich, das sogenannte Batteriemanagementsystem (BMS). Es besteht aus mehreren Komponenten und fungiert als Schnittstelle zwischen dem Stromverbraucher und der Batterie.

Verschiedene Bauformen von Lithium-Ionen-Akkus

Auch wenn das Grundprinzip aller Li-Ion-Akkus – Energiespeicherung und -bereitstellung – unabhängig von Größe, Leistung und Einsatzbereich identisch ist, gibt es verschiedene Ausführungen, die sich in den verwendeten Elektrodenmaterialien unterscheiden – und damit auch in den technischen Eckdaten wie Energiedichte, Zellenspannung, Kapazität etc.

Lithium-Cobaltdioxid-Akkus: Bei diesem Akku-Typ besteht die Kathode aus Lithium-Cobaltdioxid. Diese Akkus werden vor allem in der Mobilelektronik eingesetzt und neigen bei Überlastung zu thermischem Durchgehen. Dieser gefährliche Effekt wird durch den chemischen Zerfall des Oxids ausgelöst. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, der z. B. mit dem Elektrolyt reagieren kann. Das Ergebnis ist eine sich selbst steigernde, von außen nicht mehr steuerbare Hitzeentwicklung, die den Akkumulator komplett zerstört.

Lithium-Polymer-Akkus: Bei diesen Li-Ionen-Akkus kommt als Elektrolyt eine polymerbasierte Folie zum Einsatz, die eine feste bis gelartige Konsistenz aufweist. Hierdurch ist es möglich, die Akkus zu miniaturisieren und so in einer Dicke von weniger als 0,1 mm und in nahezu beliebigen Bauformen zu fertigen. Zwar gibt es auch vereinzelt Anwendungen im Fahrzeugbau, doch die meisten Li-Polymer-Akkus werden im Modellbau und in Mobilgeräten wie Smartphone oder MP3-Player eingesetzt, weil sie sehr leistungsfähig sind. Gleichzeitig sind diese Akkus jedoch mechanisch, elektrisch und thermisch empfindlich und damit für den Einsatz in Flurförderzeugen nicht geeignet.

Lithium-Titanat-Akkus: Bei dieser Bauform bestehen die Kathoden aus Lithium-Titanoxid und die Anoden nicht aus Graphit, sondern aus gesintertem Lithium-Titan-Spinell. Hierdurch wird eine herausragende Schnellladekapazität erreicht, und der Akku ist auch für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen (bis – 40 °C) geeignet. Allerdings ist die Energiedichte wegen der geringen Leerlaufspannung ebenfalls vergleichsweise gering. Dafür sind die Herstellkosten rund dreimal so hoch wie bei einem klassischen Li-Ion-Akku, was eine breite Marktdurchdringung zumindest im Moment noch unwahrscheinlich macht.

Lithium-Eisenphosphat-Akkus: Bei diesem Typ wird die Kathode aus Lithium-Eisenphosphat gefertigt, und es kommt ein feststofflicher Elektrolyt zum Einsatz. Auch diese Akkuvariante weist eine geringere Energiedichte auf (bis zu 100 Wh/kg), doch aufgrund des festen und damit auch chemisch stabilen Elektrolyten haben die Akkus den Vorteil, dass sie bei mechanischen Beschädigungen nicht zum thermischen Durchgehen neigen. Aus diesem Grund eignen sich Lithium-Eisenphosphat-Akkus sehr gut für den Einsatz in Staplern und Hubwagen. Ein Vorreiter ist der chinesische Staplerhersteller BYD, der seit 2015 Stapler mit schnellladender LiFePo-Batterietechnologie ausstattet.

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Das passiert beim Laden und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus

Das Wirkprinzip eines Li-Ion-Akkus ist vergleichsweise simpel: Die elektrische Energie vom Ladegerät wird durch einen chemischen Prozess im Akku gespeichert und kann dann später dosiert abgerufen werden. Das ist möglich, weil ionisiertes Lithium eine konstante Bewegung zwischen den beiden Elektroden beschreibt. Dabei gleicht der Fluss der Lithium-Ionen den externen Stromfluss, der beim Laden und Entladen auftritt, aus, so dass Kathode und Anode elektrisch neutral bleiben.

Wird der Akku entladen, z. B. indem ein Stapler oder Hubwagen mit der gespeicherten Energie elektrisch bewegt wird, geben Lithium-Atome an der Anode jeweils ein Elektron ab, das über den externen Stromkreis zur Kathode gelangt. Dort werden die Elektronen durch die Übergangsmetall-Ionen aufgenommen, die anders als die Lithium-Ionen nicht beweglich sind. Gleichzeitig bewegen sich die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten und den Separator zur Kathode.

Beim Aufladen des Akkus bewegen sich die nicht ionisierten Lithium-Atome von der Kathode wieder zur Anode, wo sie zwischen Graphitmolekülen eingelagert werden. Voraussetzung hierfür ist das Laden des Akkus mit einer konstanten Stromspannung bis zum Erreichen des Nennstroms. Sobald die Ladeschlussspannung erreicht ist, wird diese gehalten, während der Ladestrom abnimmt.

Was ist beim Laden von Lithium-Ionen-Akkus zu beachten?

Li-Ion-Akkus sind leistungsfähig, langlebig und sehr sicher, aber im Vergleich zu anderen Typen (z. B. Blei-Säure-Akkus) auch deutlich teurer in der Anschaffung. Um die Lebens- und Nutzungsdauer zu verlängern und Schäden zu vermeiden, sind beim Laden dieser Akkus einige Dinge zu beachten:

Akku nicht tiefentladen

Als Tiefentladung wird die nahezu vollständige Entladung bis an die kapazitative Untergrenze des Akkus verstanden. Da die Spannung des Akkus hierbei unter die Entladeschlussspannung sinken kann, ist bei einer Tiefentladung eine Beschädigung des Akkus oder dessen vollständige Zerstörung möglich. Moderne Batteriemanagementsysteme und Ladegeräte verhindern eine gefährliche Tiefentladung, allerdings können elektronische Defekte an Ladegerät oder Steuerelektronik diesen Schutz unterlaufen. Daher stets beim Betrieb eines Li-Ion-Akkustaplers auf den Ladefüllstand achten und frühzeitig, d. h. spätestens bei 20 Prozent Restladung, ans Ladegerät fahren.

Extremtemperaturen vermeiden

Im Sommer können unter dem Dach einer Flachdachhalle leicht Temperaturen von 50 °C und mehr erreicht werden. Li-Ion-Akkus sind jedoch sehr temperaturempfindlich und können bereits bei Umgebungstemperaturen von 40 °C Probleme bereiten. Daher sollten Stapler und andere FFZ mit Lithium-Ionen-Akkus nicht bei Temperaturen von über 40 °C oder unter – 10 °C betrieben werden, um Störungen und Ausfälle zu vermeiden.

Akku nur aufgeladen einlagern

Bei Geräten mit Wechselakku sollte auch der gelagerte Akku auf 50-70 Prozent seiner Kapazität geladen und dann bei Temperaturen von 15-18 °C gelagert werden. Daher jeden Akku zunächst ans Ladegerät anschließen und danach erst einlagern. Nur so ist gewährleistet, dass die Batterie auch nach einer längeren Lagerdauer noch einwandfrei und sicher funktioniert.

Laden nur am passenden Ladegerät

Das Batteriemanagementsystem und die Steuerelektronik im Ladegerät müssen aufeinander abgestimmt sein. Darum sollten Li-Ionen-Akkus immer nur am Ladegerät des jeweiligen Herstellers geladen werden. Die Elektronik schützt die Batterie vor einer Überladung, indem sie beim Erreichen der voreingestellten Spannung den Ladestrom reduziert. Zudem können Lithium-Ionen-Akkus problemlos auch nur kurz zwischengeladen werden. Das reicht mit modernen Schnellladestationen oft schon aus, um die Kapazität wieder soweit zu erhöhen, dass ein unterbrechungsfreies Weiterarbeiten (z. B. nach der Mittagspause) möglich ist.

Gibt es einen Memory-Effekt bei Lithium-Ionen-Akkus?

Li-Ionen-Akkus früherer Bauweise litten unter dem sogenannten Memory-Effekt, der durch häufige Teilladevorgänge ausgelöst wurde. Diese führten zu einem immer früheren Spannungsabfall im Akku, wodurch dessen Zellspannung mit der Zeit unter den Mindestbedarf des elektrischen Verbrauchers sank. Das wiederum hat zur Folge, dass sich der Akku an den Ladestand nach einer Teilladung „erinnert“ und nur noch eine geringere Speicherkapazität bereitstellt, die durch jede weitere Teilladung noch mehr reduziert wird.

Moderne Lithium-Ionen-Akkus weisen keinen bzw. keinen nennenswerten Memory-Effekt mehr auf. Darum sind Teilladungen bei modernen Li-Ionen-Akkus für Stapler und Hubwagen nicht nur problemlos möglich, sondern sie werden sogar angeraten, damit die Technologie ihre Vorteile im Vergleich zu Blei-Säure-Akkus voll ausspielen kann.

Wie viele Ladezyklen sind mit einem Li-Ionen-Akku möglich?

Moderne Li-Ion-Batterien für Stapler und Hubwagen sind bei guter Pflege und richtiger Lagerung in der Lage, bis zu 3.000 Ladezyklen zu überstehen. Das entspricht bei 2-3 Ladezyklen pro Arbeitstag einer zu erwartenden Lebensdauer von ca. 4-6 Jahren. Lithium-Polymer-Akkus, die eine höhere Energiedichte aufweisen, sind deutlich kürzer haltbar; sie erreichen zwischen 300 und 500 Ladezyklen.

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