Lithium- vs. Blei-Batterie: Vor- und Nachteile für den Bordeinsatz

Elektrische Zukunft?

© Mastervolt

Die drei Batterie-Forscher John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino legten einst die Grundlagen für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien – und erhielten dafür nun den Chemie-Nobelpreis. Anders als bei Handys, Laptops, E-Bikes und Co. werden die Akkus, die etwa bezüglich ihrer Herstellung zwar längst nicht frei von Kritik sind, aber laut Nobelpreis-Komitee eine Welt ohne fossile Kraftstoffe möglich machen, an Bord bisher kaum genutzt.

Burkhard Linke erläutert die technischen Unterschiede zu herkömmlichen Blei-Batterien und zeigt auf, dass sich die zurzeit noch teure Anschaffung von Lithium-Batterien für den Bordeinsatz durchaus rechnen kann.

Blei- oder Lithium-Batterie?

Für die herkömmlichen wartungsfreien Bleibatterien an Bord, meist verwendet als Gel- oder AGM-Batterie, ist eine Lithium-Batterie (LiFePO4 = Lithium-Eisen-Phosphat) eine leistungsfähigere Alternative.

Die ebenso wartungsfreie Lithium-Technologie ist zurzeit die effektivste und sicherste Batterie-Speicherungstechnik für mobile Anwendungen. Aufgrund des geringen Gewichtes und Volumens und auch wegen der Energiedichte werden Elektroautos ausschließlich mit Lithium-Batterien ausgerüstet.

Vergleicht man Bleibatterien (Gel/AGM) mit Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4) gleicher Kapazität, kann man folgende markante Unterschiede festhalten:

Einsatzgebiete

Neben anderen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Blei-Akkus ist der Gewichtsvorteil beziehungsweise die Energiedichte wohl der bemerkenswerteste. Im Verhältnis zur Kapazität werden bis zu 70 Prozent Gewicht eingespart, was besonders vorteilhaft ist bei Regattayachten, elektrisch angetriebenen Booten und Beibooten mit Elektromotor.

Elektrische Eigenschaften

Bekannt ist, dass einer wartungsfreien Blei-Batterie im Interesse der Lebensdauer nicht mehr als 50 Prozent der Nennkapazität entnommen werden sollten. Lithium-Akkus hingegen können bis zu 80 Prozent entladen werden. Auch beim Vergleich des Einflusses der Entladetiefe auf die mögliche Zyklenzahl schneidet eine Li­thium-Batterie deutlich besser ab als eine AGM- oder Gel-Batterie. Bei einer angenommen Entladetiefe von durchschnittlich 50 Prozent kann bei einer Gel-Batterie von etwa 500 bei einer Lithium-Batterie (80 Prozent Entladung) von immerhin 5.000 möglichen Lade-Entlade-Zyklen ausgegangen werden. Werden einer Gel-Batterie nur 30 Prozent der gespeicherten Energie entnommen – bis wieder geladen wird – sind etwa 1.300 Zyklen möglich, eine Li­thium-Batterie hingegen schafft dann immerhin mindestens 6.000 Zyklen.

Ladetechnik

Je höher die Energiedichte ist, desto mehr Energie kann in einer Batterie gespeichert werden. Beim Laden und Entladen von Batterien wird durch den inneren Widerstand der einzelnen Zellen Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie, wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Besonders bei Blei-Batterien sinkt die entnehmbare Energiemenge, wenn schnell (hoher Strom) entladen wird. Der Grund sind die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand der Batterie. Dieser Effekt kann bei Lithium-Batterien vernachlässigt werden, auch bei hohen Entladeströmen sinkt die gespeicherte Energiemenge (Ah) nicht, wie in der Grafik auf Seite 81 zu sehen ist.

Auch das Teilladungsverhalten einer Lithium-Batterie ist besser, es findet keine Sulfatierung (Memoryeffekt) mit Kapazitätsverlust wie bei Blei-Batterien statt. Um schädliche Sulfatierung zu vermeiden, sollte mindestens jeder fünfte Ladezyklus bei Blei-Batterien bis zur Vollladung führen.

Mastervolt gibt an, dass deren Batterien innerhalb von 60 Minuten geladen werden können © Mastervolt

Ladung

Das regelmäßige Teilaufladen (nicht bis zur Vollladung) einer Lithium-Batterie wirkt sich nicht verringernd auf deren Gesamtkapazität aus. Bleibatterien sollten immer möglichst vollgeladen werden, bis das Kennlinien-Ladegerät auf Erhaltungsladung umschaltet.

Blei-Batterien für 12-Volt-Bordnetze haben sechs Zellen, Lithium-Batterien dagegen nur vier in Serie geschaltete einzelne Zellen. Die Zell-Nennspannung jeder einzelnen Zelle einer Lithium-Batterie-Zelle ist also höher. Es ist möglich, vorhandene Ladegeräte mit IU-Kennlinie für Lithium-Batterien weiter zu verwenden, wenn die Ladeendspannung von 14,4 Volt in der ersten Ladephase nicht überschritten wird. Zunächst wird mit maximal möglichem

Strom, dann mit Konstantspannung geladen. Die häufig in der dritten Ladestufe von IU-Kennlinien-Ladegeräten gehaltene Ladeerhaltungsspannung sollte jedoch nicht höher sein als 13,5 Volt. Empfohlen ist, Lithium-Batterien nicht mit mehr Strom als einem Drittel der angegebenen Nenn-Kapazität zu laden. Hat die Batterie eine Kapazität von 180 Ah, sollte der Ladestrom nicht höher als 60 Ampere sein.

Nur selten ist die Leistungsfähigkeit einer Ladequelle an Bord aber höher als 90 Ampere. Für die häufig installierten Standard-Lichtmaschinen (LiMa) zwischen 75 bis 90 Ampere heißt das, dass schon eine kleine Lithium-Batterie sehr schnell vollgeladen ist. Wird zusätzlich ein externer Lichtmaschinen-Laderegler verwendet, muss auf die am Regler eingestellte Ladeendspannung geachtet werden! Werden Lithium-Batterien geladen, ist aufgrund der höheren mechanischen Beanspruchung der LiMa, auf die Keilriemenspannung, die Lichtmaschinen-Temperatur und den größeren Verschleiß des Keilriemens zu achten.

Überladung

Bei Blei-Batterien müssen die vorgegebenen Lade- und Entladeparameter unbedingt eingehalten werden, sonst erlebt eine Blei-Batterie, wie der Fachmann sagt, Stress mit schneller Alterung.

Überschreitet die Ladequelle die zulässige Ladespannung, wird das integrierte Batterie-Management-System einer Lithium-Batterie die Stromzufuhr unterbrechen um die Batterie zu schützen. Eine Blei-Batterie, die bei Überschreitung der zulässigen Spannung zu gasen beginnt, verliert Wasser. Weil eine AGM-oder Gel-Batterie wartungsfrei ist, kann kein destilliertes Wasser nachgefüllt werden. Eine Lithium-Batterie erhitzt sich stark, wenn die Ladeendspannung schon um mehr als 50mV überschritten wird. Um Tiefentladung oder Überladung bei einer Lithium-Batterie zu verhindern, sind in der Batterie interne elektronische Schutzmaßnahmen (BMS = Batterie-Managment-System) eingebaut.

Selbstentladung

Auch wenn eine Batterie nicht verwendet wird, verliert sie über die Zeit einen Teil der gespeicherten Energie. Das nennt man Selbstentladung.

Wie schon erwähnt, schützt das Batterie-Management-System (BMS) eine Lithium-Batterie vor Tief- und Überladung. Hat das BMS aber die Stromabnahme zum Schutz vor Tief­entladung aus Schutzgründen unterbrochen, sollte bald nachgeladen werden. Findet jedoch weiter Selbstentladung statt, wird auch eine Lithium-Batterie irrreversibel geschädigt.

Muss eine Lithium-Batterie längere Zeit gelagert werden, beispielsweise im Winterlager, verliert diese etwa fünf Prozent der Nennkapazität pro Monat durch Selbstentladung. Bei einer Blei-Batterie liegt die Selbstentladung bei 20° C Batterietemperatur bei immerhin einem Prozent täglich! Wie bei jeder Batterie sollten deshalb auch Lithium-Batterien nur vollgeladen ins Winterlager geschickt werden. Spätestens nach vier Monaten sollte der Ladezustand kontrolliert werden und nötigenfalls nachgeladen werden. Erreicht die Zelle einer Lithium-Batterie eine Spannung von unter zwei Volt durch Selbst­entladung, kann sich die Zelle zerstören.

SuperB-LiFePo4-Batterie SB12V160E, 26Kilo, Abmessungen in mm: H 314 x B 227 x L 417, Kapazität 160Ah, Gewicht 27 kg © SuperB

Regeneratives Laden mit Solar- oder Windenergie

Wird auf Langfahrt im Wesentlichen mit regenerativen Energiequellen geladen, ist das für Lithium-Batterien schadlos möglich. Anders sieht es bei Verwendung von Blei-Batterien aus. Nur selten wird unter Langfahrtbedingungen die Ladeendspannung der Batterie beim Laden allein durch Solar- oder Windgeneratoren erreicht. Blei-Batterien altern schnell, wenn nicht mindestens jeder fünfte Ladevorgang zur Vollladung führt. Wird nur selten vollgeladen, lagert sich irreversibles Bleisulfat auf den Bleiplatten ab, mit der Konsequenz von Kapazitätsverlust.

Wird mit Lithium-Batterien auch über eine längere Zeit nicht die gewünschte Vollladung erreicht, führt das im Gegensatz zu Blei-Batterien nicht zu einem Kapazitätsverlust. Permanente Teilladungen sind schadlos möglich.

Integriertes Batterie-Management-System (BMS)

Werden herkömmliche Gel- oder AGM-Batterien tiefentladen oder überladen, nehmen diese irreversiblen Schaden (bei Tiefentladung Kapazitätsverlust durch Sulfatierung an den Bleiplatten oder Wasserverlust beim Überladen). Je länger die Tief- oder Überladungszeit andauert, desto wahrscheinlicher ist der Ausfall der Blei-Batterie. Wird die Zellenspannung einer Lithium-Batterie unter- oder überschritten, wird diese unwiederbringlich zerstört. Daher sind alle Lithium-Batterien mit eigener Batterie-Überwachungselektronik (BMS) versehen, welche die Batterie vom Ladegerät (Überspannung) oder den Verbrauchern (Unterspannung) abschaltet, wenn unzulässige Spannungen auftreten.

Die BMS-Elektronik ist meist unter dem Deckel der Batterie installiert.

Im Interesse der Sicherheit und Lebensdauer muss eine Lithium-Batterie permanent von einem BMS überwacht werden.

Die Batteriespannung, die individuelle Zellenspannung, der Ladestatus (Kapazität) jeder einzelnen Zelle, der Lade- und Entladestrom und die individuelle Zelltemperatur.

Bei herkömmlichen Blei-Batterien kommen in der Regel keine elektronischen Maßnahmen zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände der sechs einzelnen Zellen zur Anwendung.

Während der Ladung einer Lithium-Batterie sorgen eingebaute elektronische Balancer, unter anderem dafür, dass jeder einzelnen der vier Zellen die korrekte Spannung zugeführt wird. Bei drohender Über- beziehungsweise Tiefentladung unter 80 Prozent der Nennkapazität wird der Stromfluss automatisch unterbrochen, um die Batterie zu schützen. Ein interner Temperatursensor erkennt unzulässige Betriebstemperaturen und schützt die Batterie entweder durch Kühlung mithilfe eines Lüfters oder durch elektronische Stromregelung. Durch eine permanente Überwachung jeder einzelnen Zelle wird gewährleistet, dass jeder Zelle der passende Strom beziehungsweise Spannung zugeführt oder entnommen wird. Damit ist gewährleistet, dass alle Zellen in der Lithium-Batterie symmetrisch altern. Durch Ausgleichsströme werden die Zellen angepasst, wodurch alle vier Zellen die gleiche Kapazität behalten. An dieser Stelle sei angemerkt, dass Blei-Batterien deutlich länger leben würden, wenn BMS-Technik vorhanden wäre. Das erklärt auch den höheren Preis einer Lithium-Batterie.

Temperaturverhalten

LiFePO4-Batterien haben ebenfalls eine interne Temperaturüberwachung sowohl der einzelnen Zellen als auch der integrierten Überwachungs- und Steuerungselektronik. Im Bedarfsfall wird vom BMS der Batteriestrom gesteuert oder ein eingebauter Lüfter automatisch zu- bzw. abgeschaltet.

LiFePO4-Batterien können in einem großen Temperaturbereich zwischen -20° C bis + 60° C betrieben werden.

Der Innenwiderstand von Lithium-Akkus nimmt mit sinkender Temperatur zu. Hohe Ladeströme sind daher nur bei einer Temperatur oberhalb von 0° C möglich. Unterhalb dieser Temperatur muss das Batterie-Management-System (BMS) den Ladestrom begrenzen.

Externe Temperaturfühler von Ladequellen, die beim Laden an Gel- oder AGM-Batterien empfohlen sind, werden bei Lithium-Batterien nicht benötigt.

Victron-Energy-LiFePo-Batterie, 90 Ah, Abmessungen in mm:
H249 x L285 x B168, Gewicht 16 kg © Victron

Batterieüberwachung

Die meisten Hersteller bieten für Lithium-Batterien spezielle Überwachungs-Monitore an, die mithilfe einer Software (und BUS-Vernetzung) die Lade-Historie mit allen relevanten Daten zur Anzeige bringen. Auch bei Gel- oder AGM-Batterien sind Batterie-Monitore eine sinnvolle Ergänzung. Nur so kann neben anderen Informationen erkannt werden, welche Restkapazität noch in der Batterie ist und wann Verbraucher (mangels BMS) manuell von der Blei-Batterie getrennt werden müssen, um eine Tiefentladung zu vermeiden.

Einbau und elektrischer Anschluss

Schon wie beim Betrieb von Blei-Batterien, dürfen nur gleich alte Lithium-Batterien mit gleicher Kapazität miteinander verschaltet werden. Das Mischen verschiedener Technologien ist unzulässig. In der Regel dürfen maximal zehn Lithium-Batterien parallel geschaltet werden. Aufgrund der geringeren Abmessungen eines Lithium-Akkus sollte es auch bei einer Kapazitätserweiterung kein Problem sein, den vorhanden Blei-Batterie-Montageplatz zu nutzen. Durch die meist unter dem Deckel eingebaute Überwachungselektronik ist eine Li­thium-Batterie allerdings etwas höher als eine Blei-Batterie.

Bei einigen Herstellern ist die Batterie schon mit einer Hochlast-Sicherung ausgestattet, sodass keine externe Sicherung in Batterienähe notwendig ist. Wenn vorhandene Blei-Batterien gegen Lithium-Batterien getauscht werden sollen, müssen die vorhandenen Batteriekabel-Querschnitte aufgrund der besseren Hochstromfähigkeit eventuell vergrößert werden. Im Gegensatz zu Blei- können Lithium-Batterien auch liegend platziert werden. Nur die Montage der Oberseite nach unten ist nicht erlaubt.

Fazit

Auch wenn der Preis noch deutlich höher ist als der für eine Blei-Batterie, sind die mehrfach höhere Lebensdauer und die besseren elektrischen Parameter Grund genug, sich für eine Lithium-Batterie zu entscheiden. Im Vergleich zu Blei-Batterien (AGM oder Gel) spart man circa 70 Prozent an Montagevolumen und Gewicht.

Betrachtet man außerdem noch die anderen qualitätsbestimmenden Parameter wie den Ladewirkungsgrad, die deutlich höhere Zyklenzahl, die Hochstromfähigkeit, die Energiedichte und die größere Entladetiefe, fällt der Griff in die Bordkasse nicht mehr so schwer.

2 Kommentare zu „Lithium- vs. Blei-Batterie: Vor- und Nachteile für den Bordeinsatz“

  1. avatar Schmidt sagt:

    Der artikel über die batterien ist leider nur theoretisch. Die Gefahr, die von den batterien ausgehen,
    Sowie die viel kompliziertere steuerung des ladens, überladens, etc ist nicht berücksichtigt.
    Der mehrpreis lohnt isch überhaupt nicht.

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