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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.

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.

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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