Längere Batterielebensdauer mit der richtigen Lithiumchemie

Eine lange Batterielebensdauer ist wichtig für Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT), drahtlose Sensorknoten (WSN), intelligente Messgeräte, Elektrowerkzeuge, tragbare medizinische Geräte und tragbare LED-Beleuchtung. Der Schlüssel zu einer langen Lebensdauer liegt zunehmend in der Wahl der Lithium(Li)-Batteriechemie, aber welche? Primärchemikalien wie Lithium-Eisendisulfid (Li/FeS₂), Lithium-Mangandioxid (LiMnO₂) und Lithium-Thionylchlorid (Li-SOCl₂) können eine mehrjährige Batterielebensdauer bieten, sind aber für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Außerdem hängt die Lebensdauer von Batterien nicht nur von der Chemie ab, sondern auch von der Batteriekonstruktion, dem Energieverbrauch und anderen Faktoren.

Die beste Wahl hängt von der Anwendung ab: Benötigt Ihre Anwendung eine lange Haltbarkeitsdauer? Geringfügige Entladungen über einen längeren Zeitraum? Hohe Entladungsraten nach langen Zeiten der Inaktivität? Die Antworten auf diese und andere Fragen helfen bei der Entscheidung, welche Batterie Sie wählen sollten, um eine lange Lebensdauer zu erreichen.

Betrachten wir die Kompromisse zwischen Impuls- und Dauerentladungsraten, Energiedichte, Betriebstemperatur und Konstruktionsdetails anhand von realen Batteriebeispielen von Energizer, Zeus Battery Products, Jauch Quartz und Tadiran.

Li/FeS₂ für hohe Entladungsraten und lange Lagerfähigkeit

Die Energizer-Batterien „Ultimate Lithium“ unterscheiden sich sowohl in der Chemie als auch in der Konstruktion von Alkali-Batterien. Die Li/FeS₂-Chemie liefert eine gute Kapazität, und in Kombination mit der spiralförmigen Konstruktion, die im Vergleich zu einer herkömmlichen Alkalizelle eine 20-mal größere Oberfläche bietet, haben diese Batterien eine höhere Kapazität und können hohe Entladungsraten unterstützen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Entladeprofile für die L92 Li/FeS2 AAA bei drei verschiedenen Entladeraten (links) und Kapazität im Vergleich zum Entladestrom für die L92 im Vergleich zu einer herkömmlichen alkalischen Zelle (rechts). (Bildquelle: Energizer)

Die 1,5-Volt-Zelle L92 AAA hat beispielsweise eine Nennkapazität von 1,2 Amperestunden (Ah), unterstützt eine maximale Dauerentladung von 1,5 A und kann Impulse von bis zu 2,0 A für 2 Sekunden (s) abgeben. Die L92 bietet eine Haltbarkeit von 20 Jahren bei 21°C und einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +60°C. Durch diese Kombination von Eigenschaften eignen sich diese Batterien für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch, wie z. B. Game-Controller, GPS-Geräte (Global Positioning System), LED-Taschenlampen, motorisiertes und ferngesteuertes Spielzeug und Laser-Nivelliergeräte.

LiMnO₂ für geringe bis mittlere Leistung

Wenn Ihr Design mäßig hohe Ströme nach längerer Inaktivität benötigt, sind LiMnO₂-Akkus möglicherweise die beste Wahl. Zu diesen Anwendungen gehören Zugangskontrollen, Notrufsender, Sonden, Überwachungsgeräte für gefährliche Umgebungen und RFID-Tracking-Geräte (Radio Frequency Identification). Selbst nach längerer Inaktivität liefern sie sofort Stromimpulse, da die Elektroden in diesen Zellen keine Passivierungsschicht bilden.

LiMnO₂-Akkus können 3,0 Volt mit einer relativ flachen Entladekurve liefern und unterstützen moderate Stromimpulse (Abbildung 2). Die LiMnO₂-Batterie CR-2 von Zeus hat beispielsweise eine Kapazität von 800 Milliampere (mA), eine Selbstentladungsrate von unter 3 % pro Jahr bei 20 °C und kann Impulslasten von 900 mA für 3 s unterstützen. Wie die Li/FeS₂-Zellen „Ultimate Lithium“ von Energizer bieten auch diese LiMnO₂-Batterien einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +60°C.

Abbildung 2: LiMnO2-Zellen haben im Vergleich zu Li/FeS2-Zellen eine flachere Entladekurve und können über längere Zeiträume niedrige bis mittlere Ströme liefern. (Bildquelle: Zeus Battery Products)

Li-SOCl₂ für hohe Energiedichte und langanhaltende niedrige Leistung

Im Gegensatz zu LiMnO₂-Batterien bilden Li/SOCl₂-Zellen eine Passivierungsschicht, die zu einer sehr geringen Selbstentladung führt. Dadurch können sie über lange Zeiträume inaktiv sein, ohne dass ihre Zellkapazität beeinträchtigt wird. Allerdings behindert die Passivierung auch den Stromfluss bei der ersten Entladung der Batterie, wodurch die unmittelbare Spitzenleistung begrenzt wird. Die Passivierungsschicht verschwindet bei kontinuierlicher Entladung, bildet sich aber wieder zurück, wenn die Batterie wieder inaktiv wird.

Für Ihr Design bedeutet dies, dass sich Li/SOCl₂-Batterien besonders für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und Dauerbetrieb eignen, wie z. B. drahtlose IoT-Sensoren, Stromzähler, drahtlose Sicherheitsgeräte und Ortungssysteme.

Li-SOCl₂-Batterien sind in Spiral- oder Spulenkonstruktionen erhältlich. Spulenzellen liefern wesentlich höhere Energiedichten und werden manchmal auch als „Energiezellen“ bezeichnet. Spiralförmig gewickelte Zellen liefern höhere Dauer- und Spitzenstromstärken und werden als „Leistungszellen“ bezeichnet Beide Typen liefern eine Nennspannung von 3,6 Volt und haben flache Entladekurven (Abbildung 3).

Abbildung 3: Li/SOCl2-Batterien haben eine flachere Entladungskurve als LiMnO2- und Li-SOCl2-Batterien und eignen sich daher besonders für Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch und Dauerbetrieb. (Bildquelle: Jauch)

Spulenzellen können eine Energiedichte von bis zu 710 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) liefern. Beispiele für Li-SOCI₂-Batterien mit Spulenkörper sind die ER14250J-S 1/2AA von Jauch mit einer Kapazität von 1,2 Ah und einem Betriebstemperaturbereich von -60°C bis +85°C und die TL-5903/T AA von Tadiran mit einer Kapazität von 2,4 Ah und einem Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +85°C.

Fazit

Von den drei hier betrachteten Chemikalien kann Li/FeS₂ die höchsten Entladeraten und Impulsströme liefern, hat aber mit seiner Betriebsspannung von 1,5 Volt eine geringere Energiedichte. Am anderen Ende des Spektrums eignen sich Li/SOCl₂ für die langfristige Bereitstellung niedriger Leistungspegel und liefern die höchste Energiedichte. LiMnO₂-Batterien weisen eine mittlere Energiedichte auf und eignen sich für Anwendungen, die über einen längeren Zeitraum hinweg eine niedrige bis mittlere Leistung benötigen, aber auch für Anwendungen, bei denen periodisch sofortige Stromstöße erforderlich sind.

Natürlich gibt es noch viel mehr zu beachten, um eine lange Batterielebensdauer in einer Anwendung zu erreichen, aber ein kurzer Blick auf die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale der gängigen Li-Chemien ist ein guter Ausgangspunkt.