Was sind die Unterschiede zwischen Lithiumbatterien und normalen Batterien

Batterien sind elektrochemische Geräte, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln und für eine Vielzahl von Geräten wichtig sind, von Fernbedienungen für Haushaltsgeräte bis hin zu industriellen Systemen wie Elektrofahrzeugen. Batterien werden anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und Bauart in Primär- (nicht wiederaufladbare) und Sekundärbatterien (wiederaufladbare) unterteilt.

Wenn Sie die Unterschiede zwischen Lithiumbatterien und gängigeren Batterien wie Alkali-, Blei-Säure- und Lithiumbatterien verstehen, können Sie fundierte Kaufentscheidungen treffen, die auf Ihre spezifischen Bedürfnisse abgestimmt sind.

Was sind normale Batterien?

Als herkömmliche Batterien bezeichnet man eine Vielzahl von Batterietypen, die für spezifische Anwendungen geeignet sind, darunter Alkali-, Blei-Säure-, Kohle-Zink-, Nickel-Cadmium- (Ni-Cd) und Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni-MH).

Hinweis : Obwohl herkömmliche Blei-Säure-Batterien aufgrund ihrer ausgereiften Technologie und erschwinglichen Preise immer noch von den meisten Menschen verwendet werden, werden sie aufgrund einiger Eigenschaften herkömmlicher Batterien wie hoher Wartungskosten und kurzer Lebensdauer sowie mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Lithium-Ionen-Batterietechnologie und deren zunehmender Verbreitung in bestimmten Anwendungsbereichen, wie z. B. Wohnmobilen, Golfwagen oder Solaranlagen für Privathaushalte, nach und nach durch Lithium-Batterien ersetzt.

Alkalibatterien

Diese Primärbatterien verwenden Zink- und Mangandioxid-Elektroden mit einem alkalischen Elektrolyten (Kaliumhydroxid). Sie kosten üblicherweise 0,50 bis 2 US-Dollar pro Stück und versorgen Haushaltsgeräte wie Fernbedienungen, Taschenlampen und Spielzeug mit Strom, da sie günstig und weit verbreitet sind. Jede Alkali-Zelle liefert typischerweise eine Ausgangsspannung von etwa 1,5 V. Ihre Leistung verschlechtert sich jedoch bei extremen Temperaturen, beispielsweise unter 0 °C.

Blei-Säure-Batterien

Diese Sekundärbatterien verfügen über Bleidioxid- und Schwammbleielektroden in einem Schwefelsäureelektrolyten. Sie liefern hohe Kaltstartströme (CCA) und eignen sich daher ideal für Fahrzeugstarter, kleine unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Notstromsysteme.

Kohle-Zink-Batterien

Diese Primärbatterien, auch Zink-Kohle-Batterien genannt, verwenden Zink als Anode und Mangandioxid als Kathode mit einem Zinkchlorid-Elektrolyten. Sie sind günstiger als Alkalibatterien (typischerweise 0,30–1 US-Dollar pro Stück) und werden in Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Uhren, Rauchmeldern und einfachem Spielzeug eingesetzt, bieten jedoch im Vergleich zu Alkalibatterien eine geringere Kapazität und kürzere Lagerfähigkeit.

Nickel-Cadmium (Ni-Cd)-Batterien

Diese wiederaufladbaren Batterien verwenden Nickeloxidhydroxid- und Cadmiumelektroden mit einem Kaliumhydroxid-Elektrolyten. Ni-Cd-Akkus sind für ihre Langlebigkeit und ihre Fähigkeit, hohe Entladeströme zu bewältigen, bekannt und werden in Elektrowerkzeugen, schnurlosen Telefonen und Notbeleuchtungen eingesetzt. Ihre Verwendung ist jedoch aufgrund der Umwelttoxizität von Cadmium und des Memory-Effekts, der die Kapazität verringert, wenn der Akku vor dem Wiederaufladen nicht vollständig entladen wird, zurückgegangen.

Nickel-Metallhydrid-Akkus (Ni-MH)

Diese wiederaufladbaren Batterien verwenden eine Nickeloxidhydroxid-Kathode und eine wasserstoffabsorbierende Legierungsanode. Sie bieten eine höhere Kapazität als Ni-Cd-Akkus (z. B. 2.000–3.000 mAh für AA-Batterien) und werden in Haushaltsgeräten wie Digitalkameras und Hybridfahrzeugen eingesetzt. Ni-MH-Akkus sind umweltfreundlicher als Ni-Cd-Akkus, weisen jedoch eine höhere Selbstentladungsrate (3–5 % pro Monat) und eine kürzere Lebensdauer (500–1.000 Zyklen) auf.

Was sind Lithiumbatterien?

Lithiumbatterien umfassen verschiedene Typen, darunter Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien. Ihre hohe Leistungsfähigkeit, ihr geringes Gewicht und ihre lange Lebensdauer machen sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Batterietechnologie in einer Vielzahl von Anwendungen. Typische Lithium-Ionen-Zellen haben eine Nennspannung von etwa 3,2–3,7 V pro Zelle, abhängig von der chemischen Zusammensetzung (z. B. LiFePO₄ ≈ 3,2 V, NCM/NCA ≈ 3,6–3,7 V). Lithiumbatterien lassen sich auch anhand ihrer Form und chemischen Zusammensetzung unterteilen.

Lithium-Ionen-Batterien

Diese wiederaufladbaren Batterien verwenden Lithiumverbindungen wie Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Eisenphosphat oder Nickel-Cobalt-Mangan (NCM)/Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA) als positive Elektrode und Kohlenstoff als negative Elektrode. Sie weisen eine hohe Energiedichte auf und können elektronische Geräte wie Smartphones und Laptops, Elektrofahrzeuge und Speichersysteme für erneuerbare Energien mit Strom versorgen.

Lithium-Polymer-Batterien

Ähnlich wie Lithium-Ionen-Akkus verwenden diese einen Polymerelektrolyten für eine flexible Bauform, ideal für kompakte, leichte Anwendungen wie Drohnen und tragbare Technologie.

Nach ihrer Form lässt sie sich unterteilen in:

1. Zylindrische Akkus : Beispiele hierfür sind der 18650 (18 mm Durchmesser, 65 mm Länge), 2.000–3.500 mAh und der 21700 (4.000–5.000 mAh). Diese Akkus zeichnen sich durch ihre robuste Röhrenform aus. Dank ihrer hohen Energiedichte und standardisierten Fertigung ermöglicht ihre zylindrische Form eine effiziente Wärmeableitung und findet breite Anwendung in Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen und Laptops.
2. Prismatische Batterien : Prismatische Batterien sind rechteckig. Mit Kapazitäten von 20 Ah bis über 200 Ah eignen sie sich für Anwendungen, die skalierbare Energielösungen erfordern, wie z. B. Energiespeicher und großflächige Systeme wie Batteriepacks für Elektrofahrzeuge, und maximieren die Platzeffizienz.
3. Pouch-Akkus : Diese Akkus verwenden einen flexiblen, leichten Beutel anstelle eines starren Gehäuses. Sie bestehen typischerweise aus Lithium-Polymer, bieten eine hohe Energiedichte und können individuell an Smartphones, Wearables und Haushaltsgeräte wie Drohnen angepasst werden. Allerdings erfordern sie eine sorgfältige Handhabung, um Beschädigungen zu vermeiden.

Laut der Chemie lässt es sich unterteilen in:

1. Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) : LCO-Batterien sind für ihre hohe Energiedichte von ca. 200 Wh/kg bekannt. Ihre Zyklenlebensdauer ist jedoch typischerweise auf 500–1000 Zyklen begrenzt, und ihre thermische Stabilität ist gering, weshalb robuste Sicherheitssysteme erforderlich sind. Sie werden häufig in elektronischen Geräten wie Smartphones und Kameras eingesetzt.
2. Lithium-Eisenphosphat (LFP) : LFP-Batterien weisen eine Energiedichte von ca. 150 Wh/kg auf, bieten eine hohe Sicherheit und eine lange Lebensdauer von 2.000 bis 4.000 Ladezyklen. Ihre thermische Stabilität macht sie weniger anfällig für thermisches Durchgehen, weshalb sie häufig in Elektrofahrzeugen und zur Speicherung erneuerbarer Energien eingesetzt werden.
3. Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) und Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA) : Diese chemischen Verbindungen bieten eine Energiedichte von ca. 180 Wh/kg und eine Lebensdauer von 1.000–2.000 Ladezyklen, wodurch sie sich für Elektrofahrzeuge und Elektrowerkzeuge eignen. Allerdings ist ein sorgfältiges Management erforderlich, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Was sind die Unterschiede zwischen Lithium-Batterien und herkömmlichen Batterien?

Beide gängigen Batterietypen haben ihre Vor- und Nachteile. Wenn Sie die wichtigsten Unterschiede kennen, können Sie die für Ihre Bedürfnisse optimale Batterie auswählen.

Chemische Zusammensetzung

Die Elektrodenmaterialien von Lithiumbatterien bestehen üblicherweise aus Kompositoxiden wie Lithiumcobaltoxid (LiCoO₂), Lithiumnickeloxid (LiNiO₂) und Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄) als positive Elektrode und Graphit oder siliziumbasierten Materialien als negative Elektrode. Diese Konstruktion ermöglicht es Lithiumionen, sich während des Lade- und Entladevorgangs reversibel in die Kristallstruktur des Elektrodenmaterials einzulagern und wieder zu entfernen, was zu einer höheren Umwandlungseffizienz führt.
Herkömmliche Batterien verwenden Metalle wie Zink oder Blei, die physikalische Phasenübergänge oder Auflösung erfahren, was die Effizienz verringert und den Elektrodenverschleiß beschleunigt.

Spannung und Ausgangsleistung

Lithiumbatterien liefern eine höhere Spannung pro Zelle (3,2 V für LFP, bis zu 3,7 V für NCM) als Alkali- (1,5 V) oder Bleiakkumulatoren (2 V pro Zelle). Im Gegensatz zu Alkalibatterien, deren Spannung allmählich abnimmt, halten sie die Spannung während der gesamten Entladung stabil und gewährleisten so eine gleichbleibende Leistung in anspruchsvollen Anwendungen wie Medizingeräten oder Elektrofahrzeugen.
Dieser Spannungsvorteil ermöglicht es Lithiumbatterien auch, höhere Gesamtspannungen (wie 48 V , 72 V ) zu erreichen, indem weniger Zellen in Reihe geschaltet werden, was die Effizienz und Kompaktheit verbessert.

Hohe Energiedichte und hohe Leistungsabgabe

Die Energiedichte ist ein entscheidender Faktor für die Batterieleistung und bestimmt direkt die Lebensdauer eines Geräts mit einer einzigen Ladung. Lithium-Ionen-Akkus bieten in dieser Hinsicht erhebliche Vorteile. Ihre Energiedichte (gespeicherte Energie pro Gewichtseinheit) erreicht typischerweise 100–265 Wh/kg, verglichen mit nur 30–50 Wh/kg bei herkömmlichen Alkali- und Bleiakkumulatoren. Das bedeutet, dass Lithium-Ionen-Akkus bei gleichem Gewicht 3- bis 5-mal mehr Energie speichern können als Standardbatterien. Darüber hinaus weisen Lithium-Ionen-Akkus einen Wirkungsgrad von über 95 % auf, verglichen mit nur 70–85 % bei herkömmlichen Bleiakkumulatoren. Dieser hohe Wirkungsgrad führt zu weniger Energieverlust und geringerer Wärmeentwicklung, was insbesondere beim Schnellladen und bei hohen Entladeströmen von Vorteil ist.

Lebensdauer und Haltbarkeit

Die Akkulaufzeit ist für Verbraucher stets ein wichtiges Kriterium, und Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich in dieser Hinsicht grundlegend von herkömmlichen Akkus. Die Zyklenlebensdauer gibt an, wie viele Lade- und Entladezyklen ein Akku durchlaufen kann, bevor seine Kapazität auf 80 % seines Nennwerts sinkt. Lithium-Ionen-Akkus erreichen typischerweise 2.000 bis 4.000 Zyklen, während Blei-Säure-Akkus nur 300 bis 500 Zyklen bieten. Alkalibatterien sind in der Regel nicht wiederaufladbar, und selbst wiederaufladbare Akkus können nur etwa 300 Mal verwendet werden. Diese Langlebigkeit macht Lithium-Ionen-Akkus langfristig kostengünstiger. Darüber hinaus weisen Lithium-Ionen-Akkus eine geringere Selbstentladungsrate von nur 1–3 % pro Monat auf, verglichen mit 5–10 % bei Alkalibatterien und 3–5 % bei Blei-Säure-Akkus, was die Akkulaufzeit verlängert. Die stabile Ausgangsspannung von Lithium-Ionen-Akkus während des gesamten Entladevorgangs trägt außerdem dazu bei, die Nutzungsdauer von Hochleistungsgeräten zu verlängern.

Anfangsbudget und langfristige Kosten

Lithiumbatterien sind in der Anschaffung deutlich teurer als Standardbatterien. Für ein Speichersystem mit gleicher Kapazität sind Lithiumbatterien zwei- bis dreimal so teuer wie Blei-Säure-Batterien und sogar teurer als Alkali-Batterien. Beispielsweise kostet ein typischer 12-V-100-Ah-Energiespeicher etwa 500–1.000 US-Dollar, während eine vergleichbare Blei-Säure-Batterie etwa 150–300 US-Dollar kostet. Dieser Preisunterschied ist hauptsächlich auf die Materialkosten (Metalle wie Lithium und Kobalt sind relativ teuer) und die Produktionsprozesse zurückzuführen (Lithiumbatterien benötigen Reinräume und komplexe Kontrollsysteme). Langfristig gesehen benötigen Lithiumbatterien keine regelmäßige Wartung oder Wassernachfüllung, und ihre Lebensdauer von bis zu 2.000–4.000 Ladezyklen reduziert die Kosten für Austausch und Wartung, wodurch sie sich langfristig als kostengünstiger erweisen.

Vergleich: Lithium-Batterien vs. herkömmliche Batterien

Sie können auch die Informationen in der folgenden Tabelle vergleichen, um die Unterschiede bei den wichtigsten Parametern zwischen herkömmlichen Batterien und Lithiumbatterien intuitiver und klarer zu verstehen:

Wie wählt man zwischen Lithium- und herkömmlichen Batterien?

Die Wahl des richtigen Batterietyps hängt von Ihren spezifischen Anwendungsanforderungen ab. Durch die Bewertung wichtiger Faktoren wie Leistungsbedarf, Kosten, Größe, Gewicht, Sicherheit und Umweltverträglichkeit können wir Sie bei Ihrer Kaufentscheidung unterstützen.

Leistungs- und Energieanforderungen

Für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Fernbedienungen, Uhren oder Rauchmelder reichen oft herkömmliche Batterien wie Alkali- oder Zink-Kohle-Batterien aus, da sie preiswert sind und für den gelegentlichen Gebrauch ausreichend Leistung bieten. Lithium-Ionen-Akkus hingegen eignen sich hervorragend für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf wie Elektrofahrzeuge, Drohnen, Solaranlagen oder Schiffe, wo ihre höhere Energiedichte und stabile Ausgangsspannung eine zuverlässige und kontinuierliche Stromversorgung gewährleisten.

Größen- und Gewichtsbeschränkungen

Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht, ihre kompakte Größe und ihr niedriges Gewicht aus und eignen sich daher ideal für Geräte mit begrenztem Platzangebot wie Wohnmobile und Elektrogolfwagen. So bietet beispielsweise Vatter Battery auch Minigolfwagen-Akkus und Lithium-Ionen-Akkus mit schmalem Profil an. für Golfwagen. Herkömmliche Batterien, insbesondere Blei-Säure-Batterien, sind schwerer und eignen sich besser für stationäre Anwendungen, bei denen das Gewicht weniger wichtig ist, wie z. B. Anlasser für Autos oder USV-Anlagen.

Sicherheitsanforderungen

Lithiumbatterien besitzen eine hohe Energiedichte und bergen die Gefahr des thermischen Durchgehens (Überhitzung), weshalb sie sorgfältig gehandhabt werden müssen. Für erhöhte Sicherheit empfiehlt es sich, hochwertige Lithiumbatterien mit Batteriemanagementsystem (BMS) zu erwerben, die Normen wie UL oder CE entsprechen. Standardbatterien wie Alkalibatterien bergen die Gefahr des Auslaufens, wodurch Haushaltsgeräte beschädigt werden können. Nickel-Cadmium-Batterien stellen aufgrund ihres Cadmiumgehalts ein Risiko für die Umwelt dar. Blei-Säure-Batterien erfordern eine sachgemäße Handhabung, um ein Auslaufen der Säure zu verhindern.

Kosten und langfristiger Wert

Konventionelle Batterien, insbesondere Alkali- und Zink-Kohle-Batterien, sind zwar in der Anschaffung günstiger, müssen aber aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer häufig ausgetauscht werden. Daher eignen sie sich eher für kurzfristige Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Lithiumbatterien sind zwar in der Anschaffung teurer, ihre Kosten sinken jedoch ab 2025. Zudem bieten sie eine längere Lebensdauer (2.000–4.000 Ladezyklen), wodurch die Kosten pro Nutzung langfristig minimiert werden.

Umweltverträglichkeit : Mehr als 90 % der Materialien in Lithiumbatterien sind recycelbar. Obwohl der Recyclingprozess Wasser verbraucht und ökologische Probleme mit sich bringt, kann er dennoch effektiv Abfall reduzieren. Herkömmliche Batterien, insbesondere Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien, enthalten giftige Chemikalien und erfordern daher eine sorgfältigere Handhabung.

Abschluss

Lithium-Ionen-Akkus bieten eine höhere Spannung, eine größere Energiedichte und eine längere Lebensdauer als herkömmliche Akkus und sind daher die bevorzugte Option für moderne Elektromobilität und Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien. Herkömmliche Alkali- oder Blei-Säure-Akkus sind weiterhin für kostensensible Geräte mit geringem Stromverbrauch geeignet.
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