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Akkutechnik Wie wiederaufladbare Lithium-Zellen immer kleiner werden

| Autor / Redakteur: Matthias Dorsch * / Rainer Graefen

Immer kleinere und leichtere Geräte erfordern auch immer kleinere und leichtere Akkus. Wir verraten Ihnen, wie sich noch kompaktere Lithium-Ionen-Akkus realisieren lassen, z.B. für In-Ohr-Kopfhörer.

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Bild1: Ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku im Taschenstil
Bild1: Ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku im Taschenstil
(Bild: Bild: VARTA Microbattery)

Die Entwickler mobiler Elektronikprodukte kennen die mit reduziertem Platz und Gewicht verbundenen Herausforderungen. Es scheint keine Grenzen für den Verbraucherwunsch nach immer dünneren, leichteren und schlankeren Geräten zu geben.

Und in einem Produkt wie einem Ohrhörer (oder In-Ear-Lautsprecher), ist der Formfaktor absolut vorgegeben – in diesem Fall durch die Größe des menschlichen Ohrs.

In der Elektronik hat die ständige Größenreduzierung elektronischer Schaltkreise nach dem Mooreschen Gesetz den Schaltungsentwicklern im Laufe der Zeit geholfen, immer mehr aus immer weniger Raum herauszuholen.

Im Bereich der Energiespeicherung bestimmt die Chemie und nicht die Elektronik das Tempo der Größenreduzierung, und leider gibt es in der Chemie keine Entsprechung des Mooreschen Gesetzes, das jedes Jahr weitere Reduzierungen der Größe von Batteriezellen erwarten lässt.

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Dennoch liefert Innovation in der Batterietechnologie weiterhin Antworten auf die Nachfrage von OEMs nach kompakterer Energiespeicherung. Dieser Artikel beschreibt, wie Verbesserungen eines neuen Knopfzellentyps den branchenweit kleinsten elektronischen Geräten längere Laufzeiten zwischen Ladevorgängen ermöglichen als je zuvor.

Eliminierung der Nachteile der Lithium-Technologie

In der Unterhaltungselektronik haben sich verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Technologie durchgesetzt: Lithium-Ionen-Chemie für wiederaufladbare Batterien bieten ein besseres Verhältnis von Energiekapazität zu Volumen sowie von Energiekapazität zu Gewicht als jede andere Batteriechemie in der Massenproduktion. Deshalb enthalten tragbare Produkte mit hohen Anforderungen an eine kleine Bauweise und ein geringes Gewicht, wie Mobiltelefone und Tablet-PCs, alle Lithium-Ionen-Akkus.

In der Vergangenheit standen OEMs jedoch extremen Schwierigkeiten bei der Verkleinerung von Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Geräten gegenüber, die wesentlich kleiner als ein Handy sein sollten: ein drahtloses Headset mit Bluetooth-Funktechnologie ist ein gutes Beispiel für dieses Problem.

In den vergangenen Jahren verwendeten drahtlose Headsets eine benutzerdefinierte Lithium-Ionen-Batterie-Anordnung, in der die Zelle mit Aluminiumfolie umschlossen war, um eine Tasche zu bilden, bei der lose Drähte die Verbindung zum Host-Gerät übernahmen (Bild 1).

Diese komplexe Anordnung war relativ sperrig. Schlimmer noch, da Batterien im Taschenstil auf der Produktionslinie schwierig zu handhaben sind: Sie erfordern manuelle Montage und sind daher von Natur aus anfällig für inkonsistente Qualität und Schäden. Darüber hinaus ist ein Gehäuse im Taschenstil nicht robust und anfällig gegenüber vorzeitigem Ausfall, wenn es Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt ist. Dies ist beispielsweise in Kopfhörern oder Ohrhörern unerwünscht, die vom Benutzer häufig fallen gelassen oder bei heftigen Sport- oder Fitness-Aktivitäten benutzt werden.

Schließlich stellt ein auftragsspezifisches, für einen Kunden einzigartiges Teil ein höheres Supply-Chain-Risiko dar als ein Standardteil, das für mehrere Kunden in hohen Stückzahlen produziert und gelagert wird.

Wegen dieser Nachteile hat VARTA Micro eine Alternative zur Batterie im Taschenstil für kleine Geräte wie drahtlose Kopfhörer entwickelt: Coinpower, die erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie der Branche in der Zellform eines Knopfes, die die Energiekapazität bietet, die für kleine drahtlose Endverbrauchergeräte benötigt wird. Die erste Generation dieser Knopfzellen war mit Durchmessern von 12 und 16 mm erhältlich und lieferte durchschnittlich 3,7 Volt.

Hinter der Einführung der Coinpower-Zellen verbergen sich von VARTA Micro patentierte Technologien, welche die hochautomatisierte Produktion von Knopfzellen mit gewendelten Elektroden ermöglichen. Dieses Verfahren für gewendelte Elektroden nutzt den zylindrischen Raum im Inneren des Gehäuses weitaus besser. Darüber hinaus wurde ein ebenfalls patentiertes Design für den Verschluss des Gehäuses entwickelt. Zusammen bieten diese Technologien eine höhere Energiedichte als frühere Li-Ionen-Knopfzellen mit herkömmlichen gestapelten oder geschichteten Elektroden.

Die automatisierte Produktion im Werk für Micro-Batterien in Deutschland arbeitet mit reproduzierbarer Qualität. Dies stellt sicher, dass jede hergestellte Einheit zuverlässig innerhalb der Spezifikation liegt. VARTA plant, seine Produktionskapazität in Deutschland zu erweitern, um die steigende Nachfrage zu befriedigen, die für Coinpower prognostiziert wird.

Die höhere Kapazität des Produktes Coinpower führt zu einem entscheidenden Vorteil für die Hersteller von Bluetooth-Headsets. Im Headset-Markt kämpfen die verschiedenen Marken um die längste Sprechzeit mit einer einzigen Ladung. Diese Sprechzeit hängt sowohl von der Gesamtenergiekapazität der Gerätebatterie als auch von den Leistungsverlusten der Geräteschaltung ab.

Darüber hinaus bietet eine Knopfzelle mit hoher Kapazität folgende Vorteile:

  • Einfache Montage in Endgeräte – aufgrund ihres starken und festen Edelstahlgehäuses fast ohne Risiko von Schäden – sowie höchste Präzision in der mechanischen Konstruktion der Batterieanordnung,
  • Hohe Toleranz gegenüber Stößen und Vibration, wieder aufgrund des starken Stahlgehäuses der Zelle.

Während die Elektrodenkonstruktion der Coinpower-Batterie bei der Herstellung einer Zelle mit hoher Energiedichte eine wichtige Rolle spielt, muss beachtet werden, dass die zugehörige elektronische Schaltung ebenfalls klein sein muss. Eine Coinpower-Zelle erfordert nur eine gewöhnliche Schaltungsschutzeinrichtung, die zu sehr geringen Kosten mit Komponenten von Anbietern wie Seiko und Mitsumi und zwei passiven Komponenten realisiert werden kann.

Es können beliebige Standard-Batterielade-ICs verwendet werden, um den Ladevorgang der Zelle zu steuern. Die Grundfläche dieser Schaltung ist wesentlich kleiner als die komplexe Leiterplatte, die üblicherweise in den kundenspezifischen Akkupacks eingebaut ist. Weiterhin muss die Peripherieschaltung nicht in der Nähe der Batterie platziert werden. Dies gibt Systemdesignern totale Freiheit zur Optimierung ihres Leiterplatten-Layouts und der mechanischen Konstruktion.

Und da die Coinpower-Batterie selbst ein Standardteil ist und die Peripherie-Schaltung leicht mittels Standardkomponenten realisiert werden kann, können Gerätehersteller das Design und die Produktionskosten und Risiken vermeiden, die mit dem Einsatz individuell entwickelter Akkupacks verbunden sind, während ihre Forderung nach hoher Energiekapazität bei geringem Platzbedarf erfüllt wird.

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