Was bedeutet Erhaltungsladung für Lithiumbatterien?

Erhaltungsladung ist eine Erhaltungsladetechnik, die dazu dient, eine Batterie nach dem vollständigen Laden bei oder nahe ihrer vollen Kapazität zu halten. Obwohl sie üblicherweise mit Blei-Säure-Batterien in Verbindung gebracht wird, ist ihre Anwendung bei Lithium-Batterien differenziert und erfordert eine sorgfältige Umsetzung.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Erhaltungsladung hält Lithiumbatterien im optimalen Ladezustand. Sie verhindert Überladung und verlängert die Lebensdauer der Batterie.

• Die richtige Erhaltungsspannung ist sehr wichtig. Sie sollte etwas niedriger sein als die höchste Ladespannung, um die Sicherheit zu gewährleisten und einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten.

• Durch gute Erhaltungsladegewohnheiten, wie die Wahl des richtigen Ladegeräts und die Kontrolle der Wärme , können Sie die Leistung und Lebensdauer von Batterien verbessern.

Teil 1: Erhaltungsladung von Lithiumbatterien verstehen

1.1 Was bedeutet Erhaltungsladung bei Lithiumbatterien?

Erhaltungsladung ist eine spezielle Methode, um Lithiumbatterien auf ihrem optimalen Ladezustand zu halten, ohne sie zu überladen oder zu belasten. Bei dieser Technik wird eine konstante Spannung, die sogenannte Erhaltungsspannung, angelegt, die etwas niedriger ist als die maximale Ladespannung. Dadurch wird sichergestellt, dass die Batterie vollständig geladen bleibt und gleichzeitig die internen Komponenten vor Schäden geschützt sind.

Definition : Eine Ladephase mit niedriger Spannung und niedrigem Strom, die die Selbstentladung kompensiert und den Ladezustand (SOC) einer Batterie bei ~95–100 % hält.

Ziel : Sicherstellen, dass Batterien in kritischen Systemen (z. B. Notfall-Backups) immer einsatzbereit sind, ohne dass häufige Ladezyklen erforderlich sind.

Übergang nach vollständiger Aufladung :

Nach Erreichen von 100 % SOC wechselt das Ladegerät vom Konstantstrommodus (CC) in den Konstantspannungsmodus (CV).

Die Spannung wird leicht reduziert (z. B. 3,45–3,5 V/Zelle für LiFePO₄, 3,8–3,9 V/Zelle für NMC), um eine Überladung zu vermeiden.

Mikrostromversorgung :

Ein kleiner Strom (z. B. C/100 bis C/50, wobei C die Batteriekapazität darstellt) gleicht die Selbstentladung aus (~1–3 % pro Monat).

1.2 Warum ist Erhaltungsladen für Lithiumbatterien wichtig?

Die Erhaltungsladung ist bei Lithiumbatterien weniger kritisch als bei Blei-Säure-Batterien , spielt aber dennoch in bestimmten Anwendungen eine Rolle, bei denen die Aufrechterhaltung eines nahezu vollen Ladezustands (SOC) unerlässlich ist. Ihre Bedeutung hängt von der Abwägung von Nutzen und Risiken ab, da unsachgemäße Anwendung Lithiumbatterien schädigen kann.

• Kompensation der Selbstentladung in kritischen Systemen

  Geringe, aber nicht Null-Selbstentladung : Lithiumbatterien entladen sich monatlich um ca. 1–3 %. In Systemen, die sofortige Einsatzbereitschaft erfordern, kann selbst ein geringer Kapazitätsverlust die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Erhaltungsladung stellt sicher, dass die Batterie bei 95–100 % Ladezustand bleibt.

• Stabilität in intermittierenden Energiesystemen

  Solar-/Windspeicher : Systeme für erneuerbare Energien unterliegen unregelmäßigen Ladezyklen. Erhaltungsladung hilft, den Ladezustand in Zeiten geringer Energieerzeugung zu stabilisieren und vermeidet Tiefentladungen, die die Lebensdauer von Lithiumbatterien beeinträchtigen.

• Verlängerung der Einsatzbereitschaft

  Militärische/ medizinische Geräte : Geräte, die sporadisch verwendet werden, aber bei Bedarf die volle Leistung benötigen (z. B. Defibrillatoren, Feldsensoren), profitieren von der Erhaltungsladung, um die Einsatzbereitschaft aufrechtzuerhalten, ohne dass häufiges manuelles Nachladen erforderlich ist.

Teil 2: Technische Einblicke in das Erhaltungsladen

2.1 Funktionsweise der Erhaltungsladung bei Lithiumbatterien

Die Erhaltungsladung erfolgt durch Aufrechterhaltung eines niedrigen Stroms und einer niedrigen Spannung, sobald die Lithiumbatterie vollständig geladen ist. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Batterie ihren optimalen Ladezustand beibehält, ohne überladen oder überentladen zu werden. Durch die Anwendung einer konstanten Erhaltungsspannung werden die internen Komponenten der Batterie vor Belastung geschützt, was ihre Lebensdauer verlängert. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist diese Methode besonders effektiv in Anwendungen, die eine kontinuierliche Stromversorgung erfordern, wie z. B. in Industrieanlagen oder Energiespeichern.

Wenn ein lithium-ionen-akku jedoch über längere Zeit bei voller Spannung gehalten wird, kann dies zu Leistungseinbußen führen. Studien zeigen, dass eine längere Belastung mit Spitzenladung zu metallischer Lithiumbeschichtung führen kann, was Sicherheit und Leistung beeinträchtigt. Um dies zu verhindern, minimiert die Erhaltungsladung die Zeit, in der der Akku bei maximaler Ladung verbleibt, und gewährleistet so Sicherheit und Effizienz.

2.2 Risiken beim Erhaltungsladen von Lithiumbatterien

Beschleunigter Abbau :

Längerer Ladezustand (SOC) von 100 % belastet die Anode, verdickt die SEI-Schicht (Festelektrolyt-Zwischenschicht) und verkürzt die Lebensdauer. Kontinuierliches Erhaltungsladen kann zu einem jährlichen Kapazitätsverlust von ca. 10–20 % führen.

Sicherheitsrisiken :

Überspannung oder hohe Temperaturen können Lithiumdendriten auslösen, was zu internen Kurzschlüssen oder thermischem Durchgehen führen kann.

Für die meisten Anwendungsfälle unnötig :

Bei Verbrauchergeräten (Telefonen, Laptops) wird eine „Ladebeendigung“ verwendet, um eine Erhaltungsladung zu vermeiden, da die Selbstentladung vernachlässigbar ist.

2.3 Wann ist Erhaltungsladung zu vermeiden?

Die Erhaltungsspannung ist ein entscheidender Parameter, um Lithiumbatterien in einem voll geladenen Zustand zu halten. Sie muss je nach Batteriechemie, Temperatur und Anwendung präzise eingestellt werden. Eine falsche Erhaltungsspannung beschleunigt die Alterung oder birgt Sicherheitsrisiken.

Teil 3: Anforderungen an die Erhaltungsspannung für Lithiumbatterien

3.1 Erhaltungsspannungsbereiche für verschiedene Lithiumbatterien

3.2 Grundprinzipien für die Einstellung der Erhaltungsspannung

• Überladung vermeiden :

  Die Erhaltungsspannung muss niedriger sein als die Abschaltspannung bei voller Ladung (z. B. ≤ 3,9 V für NMC mit einer Abschaltspannung von 4,2 V).

  Eine zu hohe Spannung führt zu einer Übereinbettung von Lithiumionen in der Anode, einer Zersetzung des Elektrolyten und einem Dendritenwachstum.

• Selbstentladung kompensieren :

  Die Erhaltungsspannung sollte die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie leicht überschreiten, um die Selbstentladung auszugleichen (z. B. 3,4 V für LiFePO₄ mit einer OCV von 3,2–3,3 V).

• Temperaturkompensation :

  Hohe Temperaturen : Reduzieren Sie die Erhaltungsspannung um 3–5 mV pro 1 °C Anstieg, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern.

  Niedrige Temperaturen : Vermeiden Sie Erhaltungsladungen unter 0 °C, da das Risiko einer Lithiumbeschichtung steigt.

3.3 Anforderungen an die Präzision der Erhaltungsspannung und Systemdesign

Präzisionsanforderungen

Toleranz : ±0,05 V (Blei-Säure-Batterien erlauben ±0,1 V).

Grund : Lithiumbatterien reagieren empfindlich auf Überspannung. Eine Überschreitung der Grenzwerte kann zu Folgendem führen:

LiFePO₄ : Verdickung der SEI-Schicht und Kapazitätsverlust.

NMC/NCA : Lithium-Metallbeschichtung, die zu Kurzschlüssen oder thermischem Durchgehen führt.

Systemdesign

Rolle des BMS (Batteriemanagementsystem) :

Überwacht die Zellspannung in Echtzeit, passt die Erhaltungsspannung dynamisch an und verhindert Spannungsungleichgewichte.

Deaktiviert die Erhaltungsladung bei Überhitzung oder Überspannung.

Ausbalancieren von Multi-Cell-Packs :

Sorgen Sie für eine gleichmäßige Zellspannung in in Reihe geschalteten Packs (z. B. erfordern 12-V-LiFePO₄-Packs 3,4 V pro Zelle).

3.4 Wann ist Erhaltungsladung zu vermeiden?

Unterhaltungselektronik : Bei Telefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen hat die Zykluslebensdauer Vorrang vor der Bereitschaft; eine teilweise Aufladung (20–80 % SOC) ist besser.

Umgebungen mit hohen Temperaturen : Hitze verstärkt die Risiken für Lithiumbatterien während der Erhaltungsladung.

Nicht kritische Systeme : Geräte, die selten verwendet werden, benötigen keine Erhaltungsladung.

Die Erhaltungsladung von Lithiumbatterien spielt eine entscheidende Rolle für die Erhaltung der Batteriegesundheit und die Gewährleistung der Betriebsbereitschaft. Durch die Einhaltung bewährter Verfahren können Sie die Leistung optimieren, Kosten senken und die Sicherheit in kritischen Anwendungen wie Industriesystemen und Energiespeichern erhöhen.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie bestimmen Sie die richtige Erhaltungsspannung für Lithium-Akkupacks?

Beachten Sie die Spezifikationen des Batterieherstellers. Beispielsweise benötigen LiFePO4-Lithiumbatterien für optimale Leistung typischerweise eine Erhaltungsspannung von 3,35–3,45 V pro Zelle.

Tipp: Professionelle Beratung zur richtigen Erhaltungsspannung für Lithium-Akkupacks finden Sie bei Large Power .

2. Kann die Erhaltungsladung Lithiumbatterien mit der Zeit beschädigen?

Nein, die Erhaltungsladung verhindert Überladung durch Aufrechterhaltung einer stabilen Spannung. Sie müssen jedoch Spannung und Temperatur überwachen, um mögliche Verschlechterungen oder Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

3. Ist die Erhaltungsladung für alle chemischen Zusammensetzungen von Lithiumbatterien geeignet?

Ja, aber die Erhaltungsspannung variiert je nach chemischer Zusammensetzung. Beispielsweise benötigen NMC-Lithiumbatterien 3,8–3,9 V pro Zelle, während LiFePO4-Lithiumbatterien 3,35–3,45 V pro Zelle benötigen.