Abbau von Lithium-Ionen-Akkus durch Zyklen
Der Lithium-Ionen-Akku, auch Li-Ion-Akku genannt, ist eine Art Sekundärbatterie (wiederaufladbar), die aus Zellen besteht, in denen Lithiumionen während der Entladung vom Anoden durch einen Elektrolyten zur Kathode und beim Laden zurückwandern. Die Kathode besteht aus einem Verbundmaterial (einem interkalierten Lithium-Verbindung) und bestimmt den Namen der Li-Ion-Zelle. Die Anode besteht in der Regel aus porösem lithiiertem Graphit. Der Elektrolyt kann flüssig, polymer oder fest sein. Der Separator ist porös, um den Transport von Lithiumionen zu ermöglichen und Kurzschlüsse sowie thermische Durchgehen der Zelle zu verhindern.
Chemie, Leistung und Sicherheit
Die Chemie, Leistung, Kosten und Sicherheitseigenschaften variieren bei verschiedenen Typen von Lithium-Ionen-Akkus. Handheld-Elektronik verwendet meist Lithium-Polymer-Akkus (mit einem Polymer-Gel als Elektrolyt), einem Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) Kathodenmaterial und einer Graphitanode, welche eine hohe Energiedichte bieten. Im Allgemeinen weisen Li-Ion-Akkus eine hohe Energiedichte, keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung auf. Eine der gängigsten Zelltypen ist die 18650 Batterie, die in vielen Laptop-Akkus, kabellosen Elektrowerkzeugen, bestimmten Elektroautos, Elektro-Tretrollern, den meisten E-Bikes, tragbaren Powerbanks und LED-Taschenlampen verwendet wird. Die Nennspannung beträgt 3,7 V.
Abbau durch Zyklen
Jeder Lade-Entlade-Zyklus führt zu einer gewissen Abnutzung wiederaufladbarer Batterien. Der Abbau erfolgt normalerweise, weil Elektrolyte von den Elektroden wegwandern oder weil aktives Material von den Elektroden abgelöst wird. Hersteller verwenden oft den Begriff „Zyklenlebensdauer“, um die Lebensdauer in Bezug auf die Anzahl der Zyklen zu spezifizieren, die notwendig sind, um 80% der bewerteten Batteriekapazität zu erreichen. Die Befolgung der Empfehlungen des Herstellers ist notwendig, um Gefahren oder vorzeitigen Kapazitätsabbau zu vermeiden.
Ursachen des Kapazitätsverlustes
Bei Lithium-Ionen-Akkus werden Abbau und Kapazitätsverlust im Allgemeinen auf das Wachstum der festen Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) zurückgeführt. Diese entsteht durch Reaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt. Diese Reaktionen bilden einen Film, der die Reaktion von Lithiumionen mit den Elektroden behindert, und mit zunehmender Dicke dieses Films degradiert die Zelle.
Einfluss von Temperatur und C-Rate
Die Degradation ist stark temperaturabhängig: Bei Raumtemperatur ist sie minimal, steigt jedoch in heißen oder kalten Umgebungen. Batterien erzeugen beim Laden oder Entladen, insbesondere bei hohen Strömen, Wärme. Hohe Temperaturen beim Laden können zu Batteriedegradation führen, und das Laden bei Temperaturen über 45 °C verschlechtert die Batterieleistung. Große Akkupacks, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, sind in der Regel mit Thermomanagementsystemen ausgestattet, die eine Temperatur zwischen 15 °C und 35 °C aufrechterhalten.
Hohe C-Raten erzeugen mehr Wärme und führen dazu, dass die Zelltemperatur ansteigt, was die Hochtemperatur-Degradationsmechanismen aktiviert. Eine hohe C-Rate verringert die nutzbare Lebensdauer und Kapazität eines Akkus.
Einfluss des DOD
Für Lithium-Ionen-Akkus hängt die Zyklenlebensdauer einer Zelle stark vom DOD ab. Der Verlust von Lithiumionen und aktivem Elektrodenmaterial ist bei größeren DOD-Zyklen höher. Bei hohen DODs können zusätzliche Abbaumechanismen auftreten, die zu Zersetzung und Auflösung des Kathodenmaterials und Kapazitätsverlust führen.
