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Akkutechnik

Wie wiederaufladbare Lithium-Zellen immer kleiner werden

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Es gab einen anderen wichtigen Grund für die Popularität der ersten Generation des Coinpower-Produktes: Sicherheit. Lithium-Ionen-Batterien arbeiten völlig sicher innerhalb ihrer Nennspannung und Stromgrenzen. Überstrom oder Übertemperatur-Bedingungen können jedoch thermische Instabilität zur Folge haben, bei der das Gerät letztlich explodieren oder Feuer fangen kann.

Aus diesem Grund erfordern Lithium-Ionen-Batterien eine Sicherheits- und Schutzschaltung, die die Zelle elektrisch trennt, wenn die Sicherheitsgrenzwerte überschritten werden.

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Der Vorteil der Coinpower-Zelle ist jedoch, dass sie einen integrierten Schutzmechanismus bietet, unabhängig von einem externen Schaltkreis, der die Zelle trennt, bevor ein unsicherer Überstromzustand eintritt. Dies stellt zusätzlichen Schutz dar, der die Sicherheit des Benutzers erhöht.

Diese Stromunterbrechungsvorrichtung (CID, Current Interruption Device) ist eine mechanische Sicherung: Wenn der Druck im Inneren der Zelle über einen bestimmten Wert steigt – wenn die Zelle beispielsweise mit zu hohem Strom oder zu hoher Spannung aufgeladen wird – dann trennen sich die oberen und unteren Gehäuseteile voneinander um einen kleinen, kontrollierten Abstand, der genügt, um den Kreislauf zu unterbrechen und die Batterie dauerhaft abzuklemmen.

Die Nennwerte für Überladebedingungen von Coinpower-Zellen sind tatsächlich extreme 12 V/3C , die eine weitaus größere Belastung für die Zelle darstellen als Industriestandards vorgeben.

Verbesserungen für den Betrieb von Li-Ionen-Knopfzellen

Die Li-Ionen-Knopfzelle ist so zur bevorzugten Batteriewahl für Hersteller extrem platzbeschränkter tragbarer Geräte geworden, die eine hohe Energiekapazität von 50 mAh oder mehr benötigen. Sie wird nicht nur in Anwendungen im Konsumbereich gefunden, sondern auch in Medizin- und Industriegeräten, in denen Robustheit, hohe Kapazität und lange Lebensdauer wichtig sind.

Heute haben sich die Vorteile des ursprünglichen Coinpower-Produktes mit der Einführung der Zellen-Reihen „A2“ und „A3“ (Bild 2) erweitert. Verbesserungen der Chemie und der Herstellungstechniken von Coinpower-Zellen haben ihre Kapazität erhöht sowie ihre Zykluslebensdauer verlängert (Tabelle). Die Abmessungen und die Energiekapazität dieser Zellen bieten die beste Lösung für Größe und Form des menschlichen Ohrs sowie für die Anforderungen der Hersteller von Ohrhörern und „True-Wireless“-Technologie.

Die Nennwerte der Standard-Zykluslebensdauer für wiederaufladbare Batterien geben die voll geladene Kapazität der Zelle nach 500 Lade-/Entladezyklen bei einer Betriebstemperatur von 20 °C als Prozentsatz der Kapazität neuer Batterien an. Die formalen von VARTA Micro bereit gestellten Spezifikationen geben an, dass die Coinpower-A2-Zellen noch mehr als 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität behalten, wenn sie 500 schnelle Lade-/Entlade(1C/1C)-Zyklen im Labor durchlaufen haben.

Unter milderen Betriebsbedingungen (0,2C/0,2C) steigt dieser Wert für die verbleibende Kapazität auf mehr als 85 Prozent nach 500 Zyklen. Unter wirklichkeitsnäheren Umständen können Anwender mit einer hervorragenden Zykluslebensleistung rechnen: Kunden berichten typischerweise, dass die Zellen mehr als 1000 Zyklen überleben, wenn sie in einem Endprodukt eingebaut sind.

Trends von Lithium-Knopfzellen mit kleinem Formfaktor

Hersteller von Endverbrauchergeräten fordern immer höhere Kapazität auf kleinem Raum. Der letzte Schrei neuer Geräte, die die Grenzen der Zellenkapazität erweitern, ist das „True-Wireless“-Headset: Die Ohrstöpsel besitzen weder eine Kabelverbindung untereinander noch zu ihrem drahtlosen Host-Service. Ein frühes Beispiel für solch ein Produkt ist „The Dash“ von BRAGI (Bild 3).

In diesem Produkt gibt es zwei Funkgeräte – eines für jeden Ohrstöpsel – anstatt ein einziges Funkgerät in einem herkömmlichen drahtlosen Headset. Dies führt zu einem höheren Gesamtstromverbrauch in der „True-Wireless“-Version, die eine eigene Batterie in jedem Ohrstöpsel erfordert.

Um diese und andere neue Anforderungen zu erfüllen, entwickelt VARTA Micro gerade eine dritte Generation seines Coinpower-Produktes, das in der zweiten Hälfte des Jahres 2016 auf den Markt kommt und noch höhere Kapazität und Energiedichte bieten wird – zusätzliche 20 Prozent – dank neuer Verbesserungen in der Batteriechemie, im Elektrodendesign und bei Produktionstechniken. Dieses neue Produkt wird auch in einer Zelle mit 14 mm Durchmesser zur Verfügung stehen, zusätzlich zu den Durchmesserversionen mit 12 und 16 mm auf dem heutigen Markt.

Durch diese und andere Entwicklungen werden die Anforderungen für robuste, einfach zu montierende Batterien mit hoher Kapazität im Formfaktor einer Knopfzelle auch weiterhin erfüllt. Die Coinpower-Zelle, die mehrere globale Design- und Produktpreise gewonnen hat, wird sicherstellen, dass die Verbraucher und Benutzer anderer Geräte lange Laufzeiten zwischen Ladevorgängen sowie eine lange Lebenszyklusdauer und gleichzeitig die Vorteile der präzisen, hochautomatisierten Zellproduktion in Deutschland genießen können.

* Matthias Dorsch ist Produktmanager bei VARTA Microbattery.

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