Abbau von wiederaufladbaren Batterien durch Zyklisierung
Ein elektrischer Akkumulator, üblicherweise als Batterie bekannt, ist eine Quelle für Gleichstromenergie. Er wandelt gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um. Dies ermöglicht in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen das Fließen von Strömen. Eine typische Batterie besteht aus einer oder mehreren Volta’schen Zellen. Das grundlegende Prinzip in einer elektrochemischen Zelle sind spontane Redoxreaktionen in zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, einer Substanz, die ionisch leitfähig und elektrisch isolierend ist.
Degradation von Akkus durch Zyklisierung
Jeder Lade-Entlade-Zyklus führt zu einem gewissen Abbau von wiederaufladbaren Batterien. Dieser Abbau tritt häufig auf, weil der Elektrolyt von den Elektroden weg migriert oder weil aktives Material von den Elektroden abgelöst wird. Hersteller verwenden in der Regel den Begriff „Zyklenlebensdauer“, um die Lebensdauer in Bezug auf die Anzahl der Zyklen bis zum Erreichen von 80 % der bewerteten Batteriekapazität anzugeben. Um Gefahren oder vorzeitigen Kapazitätsabbau zu vermeiden, ist es notwendig, den Empfehlungen des Herstellers zu folgen.
Lithium-Ionen-Batterien und ihre Degradation
Bei Lithium-Ionen-Akkus werden Degradation und Kapazitätsverlust in der Regel auf das Wachstum der Solid Electrolyte Interface (SEI) zurückgeführt. Die SEI entsteht durch Reaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten. Diese Reaktionen bilden einen Film, der Lithiumionen daran hindert, mit den Elektroden zu reagieren. Mit zunehmender Dicke dieses Films verschlechtert sich die Zelle.
Kapazität und Zykluslebensdauer verschiedener Batterietypen
Niedrigkapazitive NiMH-Batterien (1.700–2.000 mA·h) können etwa 1.000 Mal aufgeladen werden, während Hochkapazitive NiMH-Batterien (über 2.500 mA·h) ungefähr 500 Zyklen halten. NiCd-Batterien werden in der Regel für 1.000 Zyklen bewertet, bevor ihr Innenwiderstand permanent über nutzbare Werte ansteigt. Schnelles Laden erhöht Komponentenveränderungen und verkürzt die Batterielebensdauer. Wenn ein Ladegerät nicht erkennen kann, wann der Akku vollständig geladen ist, kann es zu Überladung und damit zu Schäden kommen. Die meisten modernen 18650 Lithium-Ionen-Batterien, die häufig für Laptop-Akkus verwendet werden, haben eine typische Zyklenlebensdauer von 300 – 500 (Lade-, Entladezyklen). In C-Rate- oder Hoch-DOD-Situationen kann dies erheblich auf 200 Zyklen sinken.
Reale Anwendungsfaktoren und beschleunigte Degradation
In realen Anwendungen erfahren Li-Ion-Zellen beschleunigte Degradation durch bestimmte Stressfaktoren. Stressfaktoren wie tiefe DODs, erhöhte C-Raten, hohe oder niedrige Temperaturen und Betrieb bei hohen SOC-Werten können sich negativ auf die Zellenkapazität auswirken und eine beschleunigte Degradation verursachen.
Temperatur
Die Degradation ist stark temperaturabhängig: Bei Raumtemperatur ist der Abbau minimal, steigt jedoch bei in heißen oder kalten Umgebungen gelagerten oder genutzten Batterien. Batterien erzeugen beim Laden oder Entladen Wärme, insbesondere bei hohen Strömen. Hohe Temperaturen beim Laden können zur Batteriedegradation führen, und das Laden bei Temperaturen über 45 °C verschlechtert die Batterieleistung.
Erhöhte C-Rate
Hohe C-Raten erzeugen mehr Wärme und lassen die Temperatur der Zelle ansteigen, was die hochtemperaturbedingten Degradationsmechanismen auslöst. C-Rate verringert die nutzbare Lebensdauer und Kapazität einer Batterie.
DOD (Depth of Discharge)
