Lithium-Ionen-Akku: interaktiver Simulator beim Laden

Was das Modell zeigt

Wer den Akku eines Laptops, eines Elektrowerkzeugs oder eines älteren Elektroautos öffnet, findet darin oft Reihen gleicher Metallzylinder. Jeder davon ist eine 18650-Zelle, benannt nach ihrer Größe: 18 mm Durchmesser und 65 mm Höhe. Sie wiegt weniger als 50 Gramm und kann trotzdem eine helle Taschenlampe stundenlang betreiben. Diese Ausstellung öffnet eine solche Zelle und verfolgt das Lithium darin.

Links steht die Zelle, bei der ein Viertel des Bechers weggeschnitten ist. Unter dem Stahl sieht man einen langen Streifen dünner Schichten, fest aufgerollt wie eine Biskuitrolle. Rechts ist ein winziges Stück dieses Streifens in Atomgröße gezeichnet: Aluminiumfolie, eine Kathode aus einem geschichteten Metalloxid, ein poröser Separator, getränkt mit flüssigem Elektrolyt, eine Anode aus Graphit und Kupferfolie. Ein Draht mit einem Ladegerät oder einer Lampe verbindet die beiden Folien oben. Davor zeigen Reiter auf der Bühne ein Handy am Ladegerät, ein Elektroauto am Schnelllader oder ein kleines Akkupack aus Kopien derselben Zelle.

Die Schaltflächen „Laden“, „Entladen“ und „Ruhe“ bestimmen, in welche Richtung die grünen Lithiumkugeln wandern. Der Schieberegler für den Ladezustand bewegt sie von Hand. Die Anzeige nennt die Zellspannung, die verbleibende Ladung und Energie in der Zelle und zeigt eine Kurve der Spannung über dem Ladezustand mit einem roten Punkt für den aktuellen Moment. Die Regler für Reihe und Parallel bauen das Pack neu auf, und der Temperaturregler führt die Zelle durch die Stufen des thermischen Durchgehens.

Die Zelldaten stammen aus dem Datenblatt der Panasonic NCR18650B, einer verbreiteten 18650-Zelle: Nennkapazität 3200 mAh, Nennspannung 3,6 V und Ladespannung 4,2 V. Die Form der Spannungskurve zwischen leer und voll ist ein Modell, und der Text weist überall darauf hin, wo es darauf ankommt.

Warum Lithium und warum zwei Elektroden

Eine Batterie speichert Energie als chemischen Unterschied zwischen zwei Stoffen. Verbindet man sie mit einem Draht, fließen Elektronen von dem Stoff, der sie nur locker hält, zu dem, der sie stärker anzieht. Lithium ist das leichteste Metall und gibt sein äußeres Elektron sehr bereitwillig ab. Deshalb wandten sich Chemiker in den 1970er-Jahren diesem Element zu, als sie eine leichte Batterie mit hoher Spannung suchten.

Reines Lithiummetall ist allerdings schwer zu beherrschen. Es reagiert heftig mit Wasser, und wenn eine Elektrode aus Lithiummetall wieder aufgeladen wird, wachsen aus ihr dünne Lithiumfäden. Erreichen sie die andere Elektrode, entsteht in der Zelle ein Kurzschluss. Die Lithium-Ionen-Zelle umgeht das, indem sie Lithium nie als Metall verwendet. Das Lithium bleibt in Form von Ionen, und diese Ionen sind immer in einem anderen Material eingelagert: in der Kathode, wenn die Zelle leer ist, und in der Anode, wenn sie voll ist. Chemiker nennen diese Einlagerung von Gästen zwischen die Schichten eines Wirtskristalls Interkalation.

Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht also aus zwei Wirten mit einer Flüssigkeit dazwischen. Beim Laden wandert Lithium vom Oxid in den Graphit, wo es eine viel höhere Energie hat. Beim Entladen fällt es zurück. Die Zellspannung ist ein Maß dafür, wie tief es fällt.

Wo das Lithium wohnt

Die Kathode im Modell ist ein Schichtoxid wie Lithiumcobaltoxid, LiCoO₂. Cobaltatome (blau) bilden flache Schichten, jede zwischen zwei Schichten aus Sauerstoffatomen (rot). In den Lücken zwischen diesen Sandwiches sitzt das Lithium. Weil die Schichten zusammenhalten, ob Lithium da ist oder nicht, kann Lithium aus den Lücken hinaus- und wieder hineingleiten, ohne dass der Kristall einstürzt. Viele heutige Zellen nutzen NMC- oder NCA-Kathoden, die Nickel, Mangan, Cobalt oder Aluminium in dieselbe Schichtstruktur mischen.

Die Anode ist Graphit: flache Schichten aus Kohlenstoffatomen, zu Sechsecken verbunden und übereinandergestapelt. Lithium schlüpft zwischen die Schichten. Im Modell hat das Oxid 40 Plätze für Lithium und der Graphit 42, und die 40 grünen Kugeln verteilen sich auf beide.

Jede Elektrode ist eine Paste aus winzigen Teilchen, aufgetragen auf eine Metallfolie. Die Kathode sitzt auf Aluminium, die Anode auf Kupfer. Die Folien nehmen an der Chemie nicht teil; sie sammeln die Elektronen und leiten sie zu den Polen. In der Zelle links ist das Aluminium über eine Fahne mit dem Deckel verbunden, dem Pluspol, und das Kupfer mit dem Becherboden, dem Minuspol.

Laden und Entladen, Schritt für Schritt

Drücken Sie „Laden“. Das Ladegerät zieht über das Aluminium Elektronen aus der Kathode und schiebt sie durch den Draht in den Graphit. Der Graphit trägt nun zusätzliche negative Ladung, und dem Oxid fehlt welche. Deshalb verlassen Lithium-Ionen (die positiv geladen sind) das Oxid, durchqueren den Elektrolyt, passieren die Poren des Separators und gleiten zwischen die Kohlenstoffschichten. Die blauen Elektronen im Draht und die grünen Ionen in der Zelle bewegen sich in dieselbe Richtung, von links nach rechts, aber auf verschiedenen Wegen.

Drücken Sie „Entladen“, und die Lampe ersetzt das Ladegerät. Das Lithium im Graphit hat die höhere Energie, also läuft der Vorgang bergab: Elektronen verlassen den Graphit, bringen die Lampe zum Leuchten und erreichen die Kathode, während die Ionen durch den Elektrolyt ins Oxid zurückwandern. Solange eine Kugel in der Flüssigkeit ist, trägt sie einen schwachen grünen Schein, damit Sie die Ionen unterwegs erkennen.

Die beiden Wege sind der ganze Trick. Der Elektrolyt lässt Ionen durch, aber keine Elektronen. Der einzige Weg, auf dem die Elektronen den Ionen folgen können, führt also durch den Draht, und dort können wir sie Arbeit verrichten lassen.

Spannung, Ladung und Energie, nachgerechnet

Die Spannung zwischen den Polen hängt davon ab, wie viel Lithium noch im Graphit steckt. Leer ruht die Zelle bei etwa 3,1 V, voll bei etwa 4,1 V. Die Kurve in der Anzeige steigt zuerst steil an, verläuft in der Mitte fast flach und steigt am Ende wieder. Die Enden stimmen mit den Quellen überein: Battery University nennt 3,0 bis 4,2 V als typischen Arbeitsbereich cobaltbasierter Lithium-Ionen-Zellen, mit Ladung auf 4,20 V pro Zelle.

Fließt Strom, verschiebt der Innenwiderstand der Zelle die Spannung. Das Modell gibt der Zelle 0,05 Ω und rechnet mit einem Strom von 1,6 A, der halben Zellkapazität pro Stunde (0,5 C). Das verschiebt die Spannung um 1,6 × 0,05 = 0,08 V: beim Laden nach oben, beim Entladen nach unten. So erreicht das Ladegerät seine Grenze von 4,20 V genau dann, wenn das Modell 100 % erreicht, und die Spannung unter Last fällt genau bei 0 % auf 3,00 V.

Hier die Werte des Modells:

Energie ist Spannung mal Ladung. Die schnelle Rechnung nimmt die Nennspannung: 3,6 V × 3,2 Ah = 11,52 Wh, der Wert, der aufs Etikett käme. Die Anzeige addiert die Energie Streifen für Streifen unter der Spannungskurve und kommt in Ruhe auf 11,93 Wh. Beim Entladen mit 0,5 C liegt die mittlere Spannung im Modell bei 3,65 V, und die Zelle liefert 11,68 Wh, weniger als 1,4 % vom Etikettwert entfernt. Battery University beschreibt die Nennspannung von 3,6 V als ungefähr die Spannung auf halber Strecke einer cobaltbasierten Zelle bei Entladung mit 0,5 C, und die Spannung des Modells auf halber Strecke unter Last beträgt 3,63 V.

Wie viele Ionen sind das? Eine Amperestunde sind 3600 Coulomb, also sind 3,2 Ah 11.520 Coulomb. Geteilt durch die Ladung eines Ions, 1,602 × 10⁻¹⁹ Coulomb, ergibt das etwa 7,2 × 10²² Lithium-Ionen, die bei jeder vollen Ladung vom Oxid in den Graphit wandern. Jede grüne Kugel im Modell steht für 80 mAh, also etwa 1,8 × 10²¹ davon.

Das Modell lädt in 40 Sekunden. Bei 1,6 A bräuchte die echte Zelle für dieselbe Ladungsmenge zwei Stunden, das Modell läuft also etwa 180-mal schneller. Die Standardladung im Datenblatt dauert vier Stunden, weil das Ladegerät am Ende 4,2 V hält und den Strom langsam abklingen lässt.

Reihe, parallel und Akkupacks

Eine Zelle liefert etwa 3,6 V. Ein Laptop, ein E-Bike oder ein Auto braucht mehr Spannung oder mehr Kapazität, deshalb werden Zellen zusammengeschaltet. Zellen in Reihe addieren ihre Spannungen und führen denselben Strom; parallel geschaltete Zellen teilen sich den Strom und addieren ihre Kapazitäten. Ingenieure schreiben die Anordnung zum Beispiel als 10s4p: zehn Gruppen in Reihe, jede Gruppe aus vier parallel geschalteten Zellen.

Die Zeile 4s2p lohnt einen zweiten Blick. Die US-Luftfahrtbehörde FAA erlaubt normalerweise Lithium-Ionen-Akkus bis 100 Wh; acht dieser Zellen ergeben 92 Wh. Mit Genehmigung der Fluggesellschaft sind bis zu zwei Ersatzakkus über 100 Wh bis einschließlich 160 Wh zulässig. Ersatzakkus gehören nur ins Handgepäck, mit geschützten Kontakten; die Fluggesellschaft kann strengere Grenzen setzen. Im Pack verbinden die Nickelstreifen oben das Plusende einer Säule mit dem Minusende der nächsten, und jede zweite Säule steht dafür auf dem Kopf.

Ein echtes Pack braucht außerdem ein Batteriemanagementsystem, das die Spannung jeder Reihengruppe überwacht. Driftet eine Gruppe über die anderen, würde sie beim Laden als erste 4,2 V überschreiten. Deshalb gleicht die Elektronik die Gruppen aus.

Wie eine heiße Zelle beginnt, sich selbst zu erhitzen

Eine geladene Zelle speichert viel Energie dicht neben einer brennbaren Flüssigkeit. Meistens ist das unproblematisch, weil die reaktiven Oberflächen geschützt sind. Der Graphit ist von einer dünnen Schicht bedeckt, der Festelektrolyt-Grenzschicht oder SEI (solid electrolyte interphase). Sie bildet sich auf der Anode und verhindert, dass der Elektrolyt mit dem lithiumgefüllten Kohlenstoff reagiert.

Schieben Sie den Temperaturregler hoch, dann können Sie verfolgen, was die Sandia National Laboratories beschreiben. Bei etwa 120 °C beginnt die SEI zu zerfallen. Der Elektrolyt erreicht den Graphit und reagiert mit ihm unter Wärmeabgabe, und die Zelle beginnt sich selbst zu erhitzen, auch wenn sie von außen nicht mehr gewärmt wird. Im Modell beträgt die Selbsterwärmung an diesem Punkt 0,2 °C pro Minute, der Wert, mit dem Sandia den Beginn markiert.

Bei etwa 135 °C erweicht das Polyethylen im Separator, und seine Poren schließen sich. Das ist eine Sicherheitsfunktion namens Shutdown: Bei verschlossenen Poren kommen keine Ionen mehr durch, Laden und Entladen hören auf. Im Modell fällt der Strom auf null, und die Ionen erstarren, wo sie gerade sind. Eine Studie zu Polyethylen-Separatoren fand, dass sie bei 150 °C um mehr als die Hälfte schrumpfen. Zieht sich die Folie von den Rändern zurück, können sich die Elektroden berühren und in der Zelle einen Kurzschluss verursachen.

Noch heißer beginnt sich die geladene Kathode zu zersetzen und gibt Sauerstoff ab. Sandia nennt Anfangstemperaturen von 150 °C bis 250 °C, je nach Kathode; Battery University gibt etwa 210 °C als typisch für NMC an. Sauerstoff, der in einer Zelle voller brennbarer Lösungsmittel frei wird, macht aus einer heißen Zelle einen Brand. Sandia spricht von thermischem Durchgehen, sobald sich die Zelle um 10 °C pro Minute oder mehr selbst erhitzt, weil bei diesem Tempo keine Kühlung von außen mehr mithalten kann. Das Modell erreicht diesen Wert bei 210 °C. Darüber treten rote Sauerstoffatome aus dem Oxid aus, und Rauch quillt aus dem Ventil unter dem Deckel.

Dieselbe Kette kann auch ohne Hitze von außen beginnen: Eine gequetschte oder durchstochene Zelle kann innen kurzschließen, und der Kurzschluss heizt die Zelle von innen auf.

Lithium-Ionen-Zellen sicher verwenden

Die Sicherheitshinweise der Feuerwehren ergeben sich direkt aus dieser Kette.

• Durchstechen, quetschen oder verbiegen Sie keine Zelle und kein Akkupack. Die US-amerikanische National Fire Protection Association (NFPA) zählt Durchstoßen und Quetschen zu den Hauptursachen von Lithium-Ionen-Bränden.
• Laden Sie mit dem Ladegerät, das für das Gerät gebaut ist. Ein Ladegerät für einen anderen Akku kann die Zelle über 4,2 V treiben oder weiterladen, wenn sie schon voll ist.
• Verwenden Sie einen Akku nicht weiter, wenn er sich aufbläht, ungewöhnlich riecht, sehr heiß wird, knackt oder die Farbe ändert.
• Laden Sie keinen Akku, der beschädigt ist oder unter Wasser war.
• Werfen Sie gebrauchte Akkus nicht in den Hausmüll oder die Wertstofftonne. Die US-Umweltschutzbehörde EPA bittet darum, sie mit abgeklebten Polen zu Batteriesammelstellen zu bringen.

Was dieses Modell weglässt

• Die Abstände sind nicht maßstäblich. In einer echten Zelle ist jede Beschichtung einige zehn Mikrometer dick und der Separator noch dünner, sodass die Strecke, die die Ionen zurücklegen, im Vergleich zu den Atomen riesig ist. Das Modell staucht sie, damit sie neben die Elektroden passt.
• Die Elektroden sind als perfekte Kristalle gezeichnet. Echte sind Pasten aus Teilchen mit Bindemittel und Leitruß, und die Kristallschichten zeigen in alle Richtungen.
• Alle 40 Modellionen können sich bewegen. Ein echtes Schichtoxid gibt nur einen Teil seines Lithiums ab, bevor es instabil wird, und etwas Lithium wird beim Aufbau der SEI verbraucht.
• Die Spannungskurve ist eine glatte Modellform. Eine echte Kurve hängt von der Kathodenchemie, der Temperatur, dem Alter und dem Strom ab.
• Die Hitzestufen verwenden einzelne Temperaturen aus den Quellen. In einer echten Zelle überlappen sie sich und hängen von Größe, Chemie und Ladezustand ab.
• Das Pack hat keine Managementelektronik und keine Sicherung.
• Nur die Schichtoxid-Zelle nutzt Datenblattwerte. Die Spannungskurven von LFP, LTO und Natrium-Ionen, ihre Kapazitäten, die Grenze der Abscheidung und die 180-fach schnellere Zeit sind Modellwerte.

Drei Chemiker und ein Nobelpreis

Der Nobelpreis für Chemie 2019 ging an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino „für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien“. Die Darstellung des Nobelkomitees beginnt Anfang der 1970er-Jahre, als Whittingham bei Exxon die erste funktionierende Lithiumbatterie baute, mit einer Kathode aus Titandisulfid, die Lithium-Ionen zwischen ihren Schichten aufnehmen konnte. Sie lieferte etwas mehr als zwei Volt, doch ihre Anode bestand aus Lithiummetall und war für eine breite Nutzung zu reaktiv.

Goodenough vermutete, dass ein Metalloxid eine höhere Spannung liefern würde als ein Sulfid. 1980 beschrieb er Lithiumcobaltoxid, das etwa vier Volt erzeugte, fast doppelt so viel. 1985 ersetzte Yoshino die Anode aus Lithiummetall durch Petrolkoks, ein Kohlenstoffmaterial, das ebenfalls Lithium-Ionen aufnehmen kann. Damit entstand die erste kommerziell nutzbare Lithium-Ionen-Batterie: Beide Elektroden waren Wirte, und metallisches Lithium wurde nicht mehr gebraucht. Ein japanisches Elektronikunternehmen begann 1991, Lithium-Ionen-Batterien zu verkaufen.

Vom Handyaufdruck zum Autobatteriepaket

Ein Handyakku mit 5.000 mAh und 3,85 V hat eine Nennenergie von 5 Ah × 3,85 V = 19,25 Wh. Die erste Zahl bezeichnet Ladung, nicht Energie. Bei anderer Spannung ändert sich die Energie auch dann, wenn die mAh gleich bleiben. Ein Vergleich von Handy und Powerbank allein anhand der mAh kann deshalb täuschen: Die Powerbank nennt möglicherweise die Spannung ihrer internen Zellen, während der USB-Ausgang mit einer anderen Spannung arbeitet. Bei der Umwandlung geht zudem Energie als Wärme verloren. Die Rechnung vergleicht Typenschilder; sie sagt nicht die genaue Laufzeit eines bestimmten Handys voraus.

Für ein bewusst vereinfachtes Elektroautobeispiel nehmen wir ein Paket mit 75 kWh Nennenergie und den 11,52 Wh-Zellen der Ausstellung an. 75 kWh sind 75.000 Wh. Geteilt durch 11,52 Wh ergibt das ungefähr 6510 Zellen. Das ist eine Energieschätzung, kein baubares Schaltschema. Die Reihenzahl muss auch zum Spannungsbereich des Motorwechselrichters passen, und die Parallelzahl muss ganzzahlig sein. Reale Autos können größere Rundzellen, Pouchzellen oder prismatische Zellen verwenden. Ein 75 kWh-Paket muss daher nicht annähernd diese Zellzahl haben. Kühlung und Gehäuse erhöhen die Masse, ohne Zellenergie hinzuzufügen.

Bei der spezifischen Energie in Wh/kg ist dieselbe Systemgrenze wichtig. Ein Zellwert enthält weder Kühlplatten noch Schutzelektronik des Pakets. Eine einzelne NMC-Zelle mit einem fertigen LFP-Paket zu vergleichen bedeutet, unterschiedliche Umfänge zu vergleichen. Die nutzbare Energie kann zudem unter der Nennenergie liegen, weil die Steuerung Reserven an beiden Ladegrenzen lässt. Weder die Anzeige noch die Handyrechnung berücksichtigt diese Reserven. Vor einer Rangfolge müssen Spannung, Systemgrenze und Betriebsbedingungen feststehen.

Ladestrom und Wärme

Die C-Rate beschreibt den Strom relativ zur Kapazität. Bei dieser 3,2 Ah-Zelle sind 0,5 C gleich 1,6 A und 1 C gleich 3,2 A. Bei durchgehend konstantem Strom würde 1 C die Nennladung in einer Stunde zuführen. Tatsächliches Lithium-Ionen-Laden hält diesen Strom aber nicht bis zum Ende. Nach Erreichen der Spannungsgrenze hält das Ladegerät die Spannung konstant und senkt den Strom. Eine Stunde durch die beworbene maximale C-Rate zu teilen liefert deshalb noch keine Ladezeit.

Das Modell nimmt 0,05 Ω Innenwiderstand an. Die einfache Schätzung der Widerstandswärme lautet I²R: Bei 1,6 A sind es 0,128 W, bei 3,2 A wären es 0,512 W. Doppelter Strom bedeutet bei festem Widerstand die vierfache Wärmeleistung. Das sind Rechenbeispiele, keine Erlaubnis zum Laden dieser Zelle mit höherem Strom. Der Widerstand hängt von Temperatur, Ladezustand und Alter ab; reale Wärme enthält auch elektrochemische Beiträge. Der Stromregler auf der Bühne (C-Rate) deckt beide Fälle ab: Bei 1 C zeigt die Anzeige „Wärme durch Strom“ das Vierfache des Werts bei 0,5 C.

Das Ladegerät muss außerdem Bedingungen erhalten, unter denen die Anode Lithium aufnehmen kann. Schneller Transport im Elektrolyten genügt nicht, wenn Lithium nicht schnell genug ins Graphit gelangt. Kälte erschwert Schnellladen besonders. Die Übersicht von Edge und Kollegen nennt Schnellladen bei niedriger Temperatur als wesentlichen Auslöser von Lithiumabscheidung. Der zulässige Ladetemperaturbereich des Herstellers ist daher keine Zusage, dass jede Ladegeschwindigkeit im gesamten Bereich sicher ist.

Warum die Kapazität ohne Leck sinkt

Die SEI begrenzt fortlaufende Reaktionen zwischen Graphit und Elektrolyt. Ihr Aufbau und Wachstum verbrauchen jedoch Lithium und Elektrolyt. In diesen Produkten gebundenes Lithium transportiert keine Ladung mehr zwischen den Elektroden. Eine dickere Schicht kann auch den Widerstand erhöhen. Selbst bei unversehrtem Gehäuse kann eine Zelle daher weniger Ladung speichern und unter Last einen größeren Spannungseinbruch zeigen. Das ist chemische Alterung, keine durch ein unsichtbares Loch entweichende Ladung.

Alterung geht auch während der Lagerung weiter. Hohe Temperatur und hoher Ladezustand können Nebenreaktionen beschleunigen. Kalenderalter und Zyklenzahl beschreiben deshalb verschiedene Teile der Nutzungsgeschichte. Beim Zyklieren können Partikel infolge von Volumenänderungen reißen. Neue Oberflächen ermöglichen zusätzliche Reaktionen und SEI-Bildung. Es gibt keine allgemeingültige Zahl an Jahren oder Zyklen, nach der jeder Lithium-Ionen-Akku ausfällt; Chemie, Konstruktion und Nutzung zählen.

Lithiumabscheidung ist ein anderer Schadensweg. Statt ins Graphit einzutreten, lagert sich Lithium metallisch an dessen Oberfläche ab. Ein Teil kann später zurückkehren, ein anderer wird elektrisch isoliert oder reagiert zu weiterer SEI. Metallische Ablagerungen können außerdem zu inneren Kurzschlüssen beitragen. Auf der Bühne wachsen silberne Lithiumnadeln auf dem Graphit, wenn für die Temperatur zu schnell geladen wird. Die Grenze dort ist ein Modellwert: Die Szene zeigt die Tendenz, eine echte Zelle kann sie nicht diagnostizieren.

Vollständiges Entladen vor jedem Laden bringt verlorenes Lithium nicht zurück. Der bekannte Rat gegen den Memory-Effekt betrifft andere Batterieeigenschaften, nicht eine Pflicht, moderne Lithium-Ionen-Zellen stets zu leeren. Die Geräteanzeige 0 % bedeutet gewöhnlich, dass die Schutzschaltung die untere Betriebsgrenze erreicht hat, nicht dass keine Lithiumionen mehr vorhanden sind. Diese Schutzschaltung darf nicht für eine vermeintlich vollständigere Entladung umgangen werden.

Was eine Transportprüfung nachweist

UN 38.3 betrifft die Transporteignung von Lithiumzellen und -batterien. Das Southwest Research Institute nennt Höhensimulation, Temperaturwechsel, Vibration, Stoß und äußeren Kurzschluss sowie gegebenenfalls Quetschen oder Aufprall, Überladung und erzwungene Entladung. Die kontrollierten Prüfungen richten sich nach dem Zell- oder Batterietyp. Bestehen bedeutet weder, dass ein beschädigtes Paket nicht brennen kann, noch dass jedes einzelne Exemplar jede zerstörende Prüfung durchlaufen hat.

Der Temperaturregler zeigt einen Fehlerablauf, keine Zertifizierungsprüfung oder Anleitung zum Heimversuch. In echten Zellen überlagern sich die Reaktionen von SEI, Separator und Kathode. Ihr Beginn hängt von Chemie, Ladezustand und Erwärmungsart ab. Ein niederohmiger Kurzschluss kann einen örtlichen heißen Punkt erzeugen, lange bevor das ganze Gehäuse eine genannte Temperatur erreicht. Zertifizierte Geräte sind bestimmungsgemäß und nach Herstelleranweisung zu verwenden. Eine Zelle niemals zum Nachprüfen der Ausstellung erhitzen oder durchstechen.

Die Anzeigen mit den Reglern lesen

Bei mittlerem Ladezustand zeigt Ruhe die Leerlaufspannung. Ohne den Ladezustand zu verändern, auf Entladen wechseln: Die Klemmenspannung sinkt, weil das Modell den Spannungsabfall am Innenwiderstand abzieht. Laden verschiebt sie in die andere Richtung. Der rote Punkt gehört zur gewählten Betriebsart, nicht zu einem zweiten Akku anderer Chemie. Manuelles Verschieben des Ladezustands überspringt die Übertragungszeit; es ist kein Schnellladeversuch.

Bei gleichem Ladezustand lassen sich 1s1p und 4s2p vergleichen. Die Nennspannung steigt von 3,6 V auf 14,4 V, die Kapazität von 3,2 Ah auf 6,4 Ah. Die Energie steigt von 11,52 Wh auf 92,16 Wh, entsprechend acht Zellen. Die Verschaltung verteilt Spannung und Ladungskapazität anders; sie erzeugt keine zusätzliche chemische Energie. Vor elektrischen Vergleichen die Temperatur zurücksetzen, denn im heißen Modell stoppt der Separatorverschluss absichtlich die Ionenbewegung.

Auf der Bühne können Sie auch direkt ausprobieren. Ziehen Sie den Stecker ins Handy oder die Ladepistole ins Auto, dann lädt die Szene mit dem Strom dieses Geräts: etwa 1,3 C bei einem Schnellladegerät fürs Handy und im Mittel 2,33 C bei einem Auto, das in 18 Minuten von 10 % auf 80 % lädt. Mit steigender Ladung wird der Graphit dunkelblau, rot und dann golden, und seine Schichten rücken um 10 % auseinander. Erhöhen Sie den Strom oder kühlen Sie die Zelle unter 0 °C, dann wachsen silberne Lithiumnadeln auf dem Graphit. Der Regler für die Zellchemie tauscht das Schichtoxid gegen LFP, eine LTO-Anode oder Natrium-Ionen, und die Spannungskurve ändert sich mit. Der Reiter mit den Reglern listet zwölf Aufgaben, zehn Akkumaterialien mit Quellen und sieben versteckte Dinge auf der Bühne.