Degradation von Lithiumbatterien verstehen und verhindern

Lithium-Ionen-Batterietechnologie versorgt kritische Industrieanwendungen mit Strom und gewährleistet Zuverlässigkeit und Effizienz. Diese Batterien dominieren den Markt für medizinische Batterien mit einem Marktanteil von 50,73 % (Stand 2023) und werden von 2024 bis 2032 voraussichtlich um durchschnittlich 6,48 % wachsen. Ihre hohe Energiedichte und lange Lebensdauer machen sie unverzichtbar für die Robotik , Messtechnik und tragbare medizinische Systeme . Probleme mit der allmählichen Degradation von Lithiumbatterien, wie z. B. Kapazitätsverlust und erhöhter Widerstand, können jedoch den Betrieb stören und die Kosten in die Höhe treiben. Um die Effizienz aufrechtzuerhalten und unnötige Ausgaben zu vermeiden, ist es wichtig zu verstehen, was die Degradation der Batterie verursacht.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Halten Sie Lithium-Ionen-Akkus zu 20 bis 80 % geladen. Dadurch halten sie länger und funktionieren besser.

• Lagern Sie Akkus mit einer Ladung von etwa 50 % an einem kühlen, trockenen Ort. Dadurch werden Schäden reduziert und die Lebensdauer verlängert.

• Verwenden Sie Batteriemanagementsysteme (BMS), um den Zustand der Batterie zu überprüfen. Verfolgen Sie beispielsweise den Zustand (SOH) und den Widerstand im Inneren.

Teil 1: Ursachen für die allmähliche Degradation von Lithiumbatterien

1.1 Chemischer Verschleiß und Alterung

Chemischer Verschleiß und Alterung sind eine der Hauptursachen für die Degradation von Lithium-Ionen-Batterien. Mit der Zeit bilden sich durch chemische Reaktionen in der Batterie eine feste Elektrolyt-Zwischenschicht (SEI) auf der Anode. Diese Schicht stabilisiert die Batterie zwar zunächst, verbraucht aber durch ihr kontinuierliches Wachstum Lithiumionen und verringert so die Kapazität der Batterie. Darüber hinaus kann es bei hohen Laderaten oder niedrigen Temperaturen zu Lithiumplattierung kommen – einem Phänomen, bei dem sich Lithium auf der Anodenoberfläche ablagert –, was die Degradation zusätzlich beschleunigt.

Eine umfassende Studie mit über 3 Milliarden Datenpunkten von 228 kommerziellen NMC/C-SiO-Lithium-Ionen-Zellen verdeutlicht die Auswirkungen dieser Mechanismen. Die Studie maß Kapazitätsverlust und Impedanzwachstum unter verschiedenen Bedingungen, darunter Temperatur und Ladezustand (SoC). Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung optimierter Betriebsstrategien zur Minderung des chemischen Verschleißes und zur Verlängerung der Batterielebensdauer.

1.2 Zyklische Degradation durch Laden und Entladen

Wiederholte Ladezyklen sind für den Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus unerlässlich, tragen aber auch zu deren allmählicher Degradation bei. Jeder Zyklus beinhaltet die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode, was zu mechanischer Belastung und strukturellen Veränderungen der Elektrodenmaterialien führt. Mit der Zeit führt dies zum Verlust von aktivem Material und Lithiumvorrat, was Kapazität und Leistung des Akkus verringert.

Physikbasierte Modelle haben maßgeblich zum Verständnis dieser Degradationsmechanismen beigetragen. Sie prognostizieren die verbleibende Nutzungsdauer (RUL) von Lithium-Ionen-Batterien und optimieren die Betriebsbedingungen, um den Verschleiß zu minimieren. Diese Modelle verknüpfen auch Degradationsarten, wie den Verlust des Lithiumbestands (LLI), mit ihren Auswirkungen auf die Batterieleistung.

• Die Analyse nutzt physikbasierte Modelle, um Degradationsmechanismen in Lithiumbatterien zu identifizieren.

• Diese Modelle sagen die verbleibende Nutzungsdauer (RUL) voraus und optimieren die Betriebsbedingungen.

• Die Degradationsmodusanalyse (DM) verbindet Degradationsmechanismen mit ihren Auswirkungen und konzentriert sich dabei auf Kennzahlen wie den Verlust des Lithiumbestands (LLI) und den Verlust von aktivem Material in Elektroden.

1.3 Kalenderalterung: Der Einfluss der Zeit

Auch bei Nichtgebrauch unterliegen Lithium-Ionen-Batterien einer kalendarischen Alterung, die ihre Kapazität mit der Zeit allmählich reduziert. Dieser Prozess wird hauptsächlich durch das Wachstum der SEI-Schicht und die Zersetzung von Elektrolytmaterialien vorangetrieben. Die kalendarische Alterung wird durch Faktoren wie Temperatur, Ladezustand und Lagerbedingungen beeinflusst.

Mehrere Studien untersuchten die Auswirkungen der kalendarisch bedingten Alterung auf Lithium-Ionen-Batterien. So analysierten Naumann et al. (2020) die zyklischen Alterungsmechanismen von LiFePO4/Graphit-Zellen, während Schmalstieg et al. (2014) ein ganzheitliches Alterungsmodell für NMC-Batterien entwickelten. Diese Studien liefern wertvolle Erkenntnisse über den Einfluss der Zeit auf die Batterielebensdauer und unterstreichen die Bedeutung sachgemäßer Lagerung und Wartung.

1.4 Umweltfaktoren: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und unsachgemäße Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien

Die Umgebungsbedingungen beeinflussen die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus maßgeblich. Hohe Temperaturen beschleunigen chemische Reaktionen im Akku und führen zu einer schnelleren Degradation. Laden über 45 °C kann zu thermischem Durchgehen führen, einem gefährlichen Zustand, der die Sicherheit beeinträchtigt. Umgekehrt verringern niedrige Temperaturen die Mobilität der Lithium-Ionen, erhöhen den Innenwiderstand und verringern die Akkueffizienz.

Auch Feuchtigkeit und unsachgemäße Lagerung spielen eine entscheidende Rolle. Übermäßige Feuchtigkeit kann Batteriekomponenten korrodieren lassen, während eine längere Lagerung bei hohem Ladezustand die kalendarische Alterung beschleunigen kann. Optimale Lagerbedingungen, wie z. B. ein Temperaturbereich von 15 °C bis 25 °C und ein Teilladezustand von etwa 50 %, können diese Effekte abmildern.

• Lithium-Ionen-Batterien funktionieren optimal bei moderaten Temperaturen, insbesondere zwischen 20 °C (68 °F) und 25 °C (77 °F).

• Hohe Temperaturen können zu einer Verschlechterung der Batterieleistung führen, insbesondere beim Laden über 45 °C.

• Extreme Temperaturen, egal ob heiß oder kalt, wirken sich negativ auf die Leistung und Lebensdauer der Batterie aus.

Teil 2: Indikatoren für Batterieverschlechterung

2.1 Kapazitätsverlust: Reduzierte Energiespeicherung im Laufe der Zeit

Kapazitätsverlust ist eines der deutlichsten Anzeichen für die Degradation von Lithium-Ionen-Batterien. Mit der Zeit nimmt die Energiespeicherfähigkeit der Batterie ab, was zu kürzeren Laufzeiten und verminderter Effizienz führt. Dies ist auf den Verlust aktiver Lithium-Ionen und Elektrodenmaterial zurückzuführen, die für die Energiespeicherung unerlässlich sind. Bei industriellen Anwendungen wie der Robotik und medizinischen Geräten kann Kapazitätsverlust den Betrieb stören und die Wartungskosten erhöhen.

Die Überwachung des Kapazitätsverlusts ist entscheidend für eine längere Batterielebensdauer. Regelmäßiges Messen der maximalen Ladekapazität hilft, frühzeitige Anzeichen einer Verschlechterung zu erkennen. Beispielsweise kann ein Lithium-Ionen-Akku, der anfangs 100 % seiner Nennkapazität speicherte, nach mehreren hundert Zyklen auf 80 % sinken. Dieser Rückgang unterstreicht die Bedeutung proaktiver Wartung und optimierter Ladeverfahren, um den Kapazitätsverlust zu verlangsamen.

2.2 Erhöhter Innenwiderstand und dessen Auswirkungen auf die Leistung

Der Innenwiderstand ist ein weiterer wichtiger Indikator für den Batteriezustand. Mit zunehmendem Alter von Lithium-Ionen-Batterien steigt ihr Innenwiderstand, was ihre Fähigkeit zur effizienten Stromabgabe beeinträchtigt. Dies kann zu langsamerem Laden, Überhitzung und Leistungsproblemen führen, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen oder Industrieanlagen.

Ein hoher Innenwiderstand signalisiert oft das Ende der Batterielebensdauer, insbesondere bei nickelbasierten Systemen. Es ist jedoch wichtig, Widerstandsänderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen, anstatt verschiedene Batterietypen zu vergleichen. Ein erhöhter Widerstand kann auch zu Temperaturgradienten in den Batteriepacks führen, was die Degradation beschleunigt und die Batterielebensdauer verkürzt. Das Verständnis dieser Dynamik ermöglicht Ihnen die Implementierung besserer Wärmemanagementstrategien und die Aufrechterhaltung einer konstanten Leistung.

2.3 State of Health (SOH): Wichtige Kennzahlen zur Überwachung von Batteriepacks

Der State of Health (SOH) bietet einen umfassenden Überblick über den Zustand einer Lithium-Ionen-Batterie. Er misst die Leistungsfähigkeit der Batterie im Vergleich zu ihren ursprünglichen Spezifikationen. SOH-Kennzahlen sind für Batteriemanagementsysteme (BMS) unerlässlich, um die Sicherheit zu gewährleisten und die Batterielebensdauer zu optimieren.

Zur Schätzung des SOH gibt es mehrere Methoden:

• Direkte Messmethoden, wie etwa die Ermittlung der maximalen Kapazität oder des Innenwiderstands.

• Modellbasierte Methoden, einschließlich elektrochemischer und äquivalenter Schaltkreismodelle.

• Datengesteuerte Methoden, die historische Betriebsdaten analysieren, um SOH vorherzusagen.

Durch den Einsatz dieser Techniken können Sie die Batterieleistung verbessern, ihre Lebensdauer verlängern und unerwartete Ausfälle verhindern. Für industrielle Anwendungen gewährleistet eine genaue SOH-Überwachung Zuverlässigkeit und reduziert Ausfallzeiten. Damit ist sie ein unverzichtbares Werkzeug für die Wartung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen.

Teil 3: Effektive Methoden zur Verhinderung der Batterieverschlechterung

3.1 Optimale Ladepraktiken: Aufrechterhaltung eines Ladezustands von 20–80 %

Die Aufrechterhaltung eines Ladezustands zwischen 20 % und 80 % ist eine der effektivsten Möglichkeiten, die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus zu verlängern. Dadurch wird die Belastung der Elektroden minimiert, ihre strukturelle Integrität bewahrt und der Verschleiß reduziert. Der Betrieb in diesem Bereich verhindert extreme Bedingungen, die den Akkuverschleiß beschleunigen, wie Überladung oder Tiefentladung.

• Durch Halten des Ladezustands zwischen 20 % und 80 % wird die Belastung der Batterie verringert.

• Dieser Ansatz verbessert die Lebensdauer der Batterie, indem Bedingungen vermieden werden, die zu schnellem Verschleiß führen.

• Es gewährleistet optimale Leistung, insbesondere für industrielle Anwendungen wie Robotik und medizinische geräte.

Beispielsweise kann in der Robotik, wo eine konstante Stromversorgung entscheidend ist, die Einhaltung dieses Ladebereichs die Betriebseffizienz deutlich steigern. Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen können Sie ein besseres Batteriemanagement gewährleisten und die Wartungskosten langfristig senken.

3.2 Temperaturmanagement: Vermeidung von extremen Temperaturen

Die Temperatur spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus. Hohe Temperaturen beschleunigen chemische Reaktionen und führen zu schnellerer Degradation. Laden über 45 °C erhöht das Risiko eines thermischen Durchgehens, einem gefährlichen Zustand, der die Sicherheit beeinträchtigt. Andererseits verringern niedrige Temperaturen die Mobilität der Lithium-Ionen-Akkus, erhöhen den Innenwiderstand und verringern die Effizienz.

Studien bestätigen, dass ein effektives Wärmemanagement die Degradation von Lithium-Ionen-Batterien verlangsamen kann. Beispiele:

• Aktive Kühlmethoden für Pouch-Zellen reduzieren die Degradationsrate um bis zu das Dreifache.

• Ungleichmäßige Temperaturverteilungen innerhalb der Zellen erzeugen Widerstandsgradienten und führen zu örtlicher Verschlechterung.

Die Einhaltung einer Lagertemperatur von 15 °C bis 25 °C gewährleistet eine optimale Batterieleistung. Bei industriellen Akkupacks können effektive Belüftungssysteme und die Überwachung der Ladetemperaturgrenzen die Sicherheit und Zuverlässigkeit weiter verbessern.

3.3 Tiefentladungen und Überladungen vermeiden

Tiefentladungen und Überladungen schädigen die Gesundheit von Lithium-Ionen-Akkus. Eine Überentladung kann zu irreversiblen Kupferablagerungen an den Elektroden führen, was zu Leistungseinbußen führt. Überladung hingegen beschleunigt den Materialverschleiß und verringert die Zyklenstabilität.

So vermeiden Sie diese Probleme:

• Verwenden Sie Batteriemanagementsysteme (BMS), um den Ladezustand zu überwachen und eine Überladung zu verhindern.

• Vermeiden Sie vollständige Entladezyklen, da diese den Akku belasten und seine Lebensdauer verkürzen.

Bei industriellen Anwendungen, wie z. B. Vermessungsinstrumenten, gewährleistet die Aufrechterhaltung des richtigen Ladezustands eine gleichbleibende Leistung und reduziert Ausfallzeiten. Diese Maßnahmen verlängern nicht nur die Batterielebensdauer, sondern verbessern auch die allgemeine Betriebseffizienz.

3.4 Befolgen der Herstellerrichtlinien für industriebatteriepacks

Die Einhaltung der Herstellerrichtlinien ist für die optimale Lagerung, Nutzung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus unerlässlich. Diese Anweisungen sind auf die spezifische Chemie und das Design des Akkupacks zugeschnitten und gewährleisten die Einhaltung von Sicherheitsstandards und -vorschriften.

Durch Befolgen dieser Richtlinien können Sie die Effizienz industrieller Batteriepacks maximieren und die Wahrscheinlichkeit von Betriebsstörungen verringern.

3.5 Lagerung von Batterien im Teilladezustand (ca. 50 %)

Die ordnungsgemäße Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien ist entscheidend für deren langfristige Funktionsfähigkeit. Die Lagerung von Batterien im Teilladezustand (ca. 50 %) minimiert die Belastung der Elektroden und verringert das Degradationsrisiko. Untersuchungen der Technischen Universität Chalmers zeigen, dass die Aufrechterhaltung eines Ladezustands (SOC) von 50 % die Batterielebensdauer um 44–130 % verlängern kann.

Bei längerer Lagerung sollten die Batterien kühl, trocken und bei stabiler Temperatur gelagert werden. Vermeiden Sie die Lagerung voll geladener Batterien oder unter extremen Bedingungen, da diese die Alterung beschleunigen. Sichere Batterielagerung ist besonders wichtig für industrielle Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von größter Bedeutung sind.

Das Verständnis der Hauptursachen für Batterieverschleiß ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Batterielebensdauer in industriellen Anwendungen. Betriebsgewohnheiten, Umweltfaktoren und natürliche Alterung beeinflussen die Leistung erheblich.

Proaktive Maßnahmen wie optimales Laden, Temperaturmanagement und die ordnungsgemäße Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien können diese Auswirkungen abmildern. Zum Beispiel:

• Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer und Leistung der Batterie.

• Kälte verringert die Kapazität und Effizienz der Batterie.

• Hohe Temperaturen können das Schadensrisiko erhöhen und die Lebensdauer verkürzen.

Technologische Fortschritte, einschließlich Echtzeit-Überwachungssysteme, erhöhen die Batterielebensdauer zusätzlich, indem sie Überhitzung verhindern und die Leistung optimieren. Mit diesen Strategien gewährleisten Sie einen zuverlässigen und effizienten Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien im industriellen Umfeld.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie können Sie den Zustand von Lithium-Ionen-Akkus effektiv überwachen?

Mit Batteriemanagementsystemen (BMS) können Sie Kennzahlen wie den Zustand (SOH), die Kapazität und den Innenwiderstand verfolgen. Diese Systeme gewährleisten Sicherheit und optimieren die Leistung.

2. Was sind die idealen Lagerbedingungen für Lithium-Ionen-Batterien?

Lagern Sie Batterien bei 20 °C–25 °C und einem Ladezustand von 50 %. Vermeiden Sie extreme Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit, um die Degradation zu minimieren. Erfahren Sie mehr über die Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien .

3. Welcher Lithiumbatterietyp bietet die längste Zyklenlebensdauer für industrielle Anwendungen?

LiFePO4-Lithiumbatterien bieten 2000–5000 Zyklen und sind damit ideal für den industriellen Einsatz. Ihre Energiedichte liegt zwischen 100 und 180 Wh/kg und gewährleistet Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Entdecken Sie unsere Lösungen für große Energiemengen .