Ursachen für die Verschlechterung der Batterie

ReferenzartikelPV-Magazin

Bei der großen Batterievielfalt weist jeder Zelltyp und jede Unterart des Geräts eine einzigartige Anfälligkeit für eine Verschlechterung auf, die durch die Nutzung und andere Faktoren beeinflusst wird. Einige Zellen gedeihen bei niedrigen Temperaturen, andere zeichnen sich durch hohe Ströme aus. Allerdings ist eine solche Spezialisierung oft mit Kosten verbunden.

Die Batteriealterung hängt entweder mit der Zeit (im Falle einer kalendarischen oder „kalendarischen“ Alterung) oder mit der Nutzung zusammen, wobei das Laden und Entladen eine „zyklische“ Alterung darstellt.

Beide Formen der Alterung tragen dazu bei, dass Kapazität und Effizienz schwinden und der innere Widerstand zunimmt, da Ionen dauerhaft in unangenehmen Nebenreaktionen gefangen werden. Diese Reaktionen werden durch verschiedene „Einflussfaktoren“ angetrieben. Typischerweise reagieren Ionen irreversibel mit anderen Materialien in der Zelle, bilden passive Rückstände und verhindern ihre Verwendung für den Energietransport.

Zu den gängigen Einflussfaktoren – deren Einfluss je nach Zelltyp unterschiedlich ist – gehören die Temperatur der Batteriezellen; Geräteladezustand (SOC); und der Strom oder die Leistung, die beim Laden und Entladen verwendet wird. In Bezug auf den Ladezustand – die Ladungsmenge oder Energie in einer Batterie – ist der Leerlauf-SOC wichtig, wenn eine Batterie nicht verwendet wird, und das SOC-Fenster (der Bereich, in dem der Ladevorgang stattfindet) ist relevant, wenn ein Gerät zyklisch betrieben wird.

Mechanische Belastungen wie Vibrationen und Druck sind ein weiterer Einflussfaktor für die Batterieverschlechterung, wir konzentrieren uns jedoch vorerst auf die drei oben genannten Faktoren.

Temperatur

Die Temperatur spielt eine entscheidende Rolle für die Batterielebensdauer. Die meisten Zellchemien profitieren von der Lagerung und dem Leerlauf bei niedrigen Temperaturen, unter 20 °C, da dies die kalendarische Alterung verlangsamt und das Risiko von Nebenreaktionen verringert. Der Leerlauf bei höheren Temperaturen kann die Verschlechterungsrate erheblich erhöhen.

Umgekehrt reagieren die meisten Zelltechnologien sehr empfindlich auf den Betrieb bei niedrigen Temperaturen, was zu einem Dilemma führt. Da mehr als 30 °C bis 40 °C nicht optimal sind, liegt der optimale Temperaturbereich für den Batteriezellenbetrieb bei den meisten Chemikalien bei etwa 15 °C bis 25 °C. Neuere Batterien auf Nickel-Mangan-Kobalt-Basis (NMC) reagieren sehr empfindlich auf das Laden bei niedrigen Temperaturen und beim Laden bei weniger als 10 °C können gefährliche Defekte auftreten. In der Grafik links sind drei hochwertige NMC-Zellen desselben Typs dargestellt , wird die Abbaurate leicht verbessert, wenn die Betriebstemperatur um 10 °C von 25 °C (orangefarbene Linie) auf 15 °C (violette Linie) gesenkt wird. Bei einer Absenkung um 10 °C (blaue Linie) würde die Batterie jedoch fast sofort kaputtgehen.

Lithiumbeschichtung

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind im Allgemeinen sicher, aber unter bestimmten Bedingungen – bei kalten Temperaturen, unter hohem Strom oder mit einer bereits gut gefüllten Wirtselektrode – kann es zu einer Lithiumbeschichtung kommen. Das obige Beispiel zeigt die Auswirkungen der Galvanisierung bei niedrigen Temperaturen. Beim Galvanisieren handelt es sich um eine Form von Rückständen, die entstehen, wenn Lithiumionen im Inneren von Batteriezellen Metallablagerungen bilden. Mit der Zeit kann sich dieser Prozess anhäufen und schließlich zu internen Kurzschlüssen führen, die ein thermisches Durchgehen auslösen können – eine schnelle und gefährliche Freisetzung von Wärme und Gasen.

SOC

Der Ladezustand hat einen erheblichen Einfluss auf die Batterielebensdauer. Sowohl der Leerlauf-SOC bei Nichtnutzung (was die kalendarische Alterung betrifft) als auch der SOC-Bereich oder das SOC-Fenster während des Betriebs (zyklische Alterung) sind von Bedeutung. Das folgende Beispiel zeigt zwei identische NMC-Zellen.

Die folgende Grafik zeigt die Verschlechterungsentwicklung zweier nahezu identischer Anwendungsfälle hochwertiger NMC-Zellen.

Beide verbrauchen nur etwa 50 % des Akkus, und der erste Anwendungsfall (die blaue Linie) liegt in der oberen Hälfte des SOC, beginnt mit voller Ladung und fällt auf 50 % ab, bevor er wieder vollständig aufgeladen wird. Der zweite Anwendungsfall (in Orange) beginnt bei 50 % Ladung und endet praktisch leer. Wie die Grafiken zeigen, sind die Auswirkungen auf die Verschlechterung unglaublich: Die orangefarbene Batterie hält zwei- bis dreimal länger als die blaue, was die Gesamtbetriebskosten um mehr als die Hälfte senkt.

Es sollte jedoch betont werden, dass es sich hier um ein Beispiel für einen bestimmten Zelltyp handelt und andere Geräte und Zellen sich völlig anders verhalten können. Als Faustregel gilt, dass die Vermeidung eines Ladezustands über 90 % und unter 10 % im Allgemeinen die Batterielebensdauer verlängert, es gibt jedoch Ausnahmen.