So minimieren Sie die Selbstentladung von Lithiumbatterien während der Lagerung

Die Minimierung der Selbstentladung und die optimale Speicherung der Leistung von Lithiumbatterien sind für industrielle Anwendungen wie Robotik , medizinische Geräte und Instrumentierungssysteme entscheidend. Lithium-Ionen-Batterien verlieren typischerweise monatlich 2–8 % ihrer Ladung, was zu schnellerer Degradation und höheren Ersatzkosten führen kann. Um diesem Problem entgegenzuwirken, empfiehlt es sich, Batterien mit 40–50 % Ladung kühl und trocken (15 °C bis 25 °C) zu lagern. Dies gewährleistet nicht nur die Betriebsbereitschaft, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Batterie.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Halten Sie Lithiumbatterien bei 40–50 % geladen, um den Leistungsverlust zu verringern und ihre Lebensdauer zu verlängern.

• Lagern Sie sie an einem kühlen, trockenen Ort bei 15 °C bis 25 °C, um Schäden zu vermeiden und sicher zu bleiben.

• Überprüfen Sie die Ladung alle drei bis sechs Monate, um eine vollständige Entladung zu verhindern und die einwandfreie Funktion zu gewährleisten.

Teil 1: Selbstentladung verstehen und Lithium-Akkupacks lagern

1.1 Was ist Selbstentladung bei Lithiumbatterien?

Selbstentladung bezeichnet den allmählichen Ladungsverlust eines Lithium-Ionen-Akkus, wenn dieser nicht verwendet wird. Dieses Phänomen entsteht durch interne chemische Reaktionen in den Akkuzellen. Obwohl sich alle Akkus selbst entladen, verlieren Lithium-Ionen-Akkus typischerweise 2–8 % ihrer Ladung pro Monat, abhängig von Faktoren wie Temperatur, Akkuchemie und Lagerbedingungen. Beispielsweise können NMC-lithium-akkus mit einer Energiedichte von 160–270 Wh/kg eine etwas höhere Selbstentladungsrate aufweisen als LiFePO4-Lithium-Akkus , die zwar eine geringere Energiedichte von 100–180 Wh/kg, aber eine höhere Zyklenlebensdauer aufweisen.

Eine im Journal of Power Sources veröffentlichte Studie stellt eine neuartige Methode zur Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen anhand der Selbstentladungsrate vor. Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses der Selbstentladung für die Optimierung der Batterieleistung.

1.2 Warum die Selbstentladung für industrielle Anwendungen wichtig ist

Bei industriellen Anwendungen wie Robotern, medizinischen Geräten und Instrumentierungssystemen kann die Selbstentladung die Betriebseffizienz erheblich beeinträchtigen. Bei längerer Lagerung von Lithiumbatterien ohne entsprechende Vorsichtsmaßnahmen können diese so weit an Ladung verlieren, dass eine Tiefentladung auftritt. Dies kann zu irreversiblen Schäden führen und die Lebensdauer des Akkupacks verkürzen. Beispielsweise kann eine unsachgemäß gelagerte Lithium-Ionen-Batterie bei medizinischen Geräten, bei denen Zuverlässigkeit entscheidend ist, die Patientensicherheit gefährden und die Wartungskosten erhöhen.

Um diese Risiken zu minimieren, müssen Lithiumbatterien bei einem optimalen Ladezustand von 40–50 % in einer kontrollierten Umgebung gelagert werden. Dies minimiert die Selbstentladung und stellt sicher, dass die Batterien einsatzbereit bleiben. Darüber hinaus ist die Wahl der richtigen Batteriechemie für Ihre Anwendung entscheidend. Beispielsweise eignen sich LiFePO4-Lithiumbatterien mit ihrer langen Lebensdauer von 2000–5000 Zyklen ideal für die Langzeitlagerung in industriellen Umgebungen.

Teil 2: Optimale Speicherladezustände für Lithiumbatterien

2.1 Empfohlene Ladezustände für die Lagerung (40-50%)

Die Lagerung von Lithiumbatterien bei einem optimalen Ladezustand von 40–50 % ist entscheidend für ihre Leistung und Langlebigkeit. Dieser Bereich minimiert die Belastung der Batterieelektroden und verringert das Risiko einer chemischen Zersetzung. Untersuchungen der Technischen Universität Chalmers zeigen, dass die Aufrechterhaltung einer 50-prozentigen Ladung während der Lagerung die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterien um 44–130 % verlängern kann. Experten empfehlen diesen Ladezustand zudem, um vorzeitiger Alterung und Schäden durch Tiefentladung vorzubeugen.

Tipp : Überprüfen Sie vor der Lagerung immer den Ladezustand Ihres Lithium-Ionen-Akkus. Verwenden Sie ein Batteriemanagementsystem (BMS), um den empfohlenen Ladezustand zu überwachen und einzuhalten.

Die Lagerung von Lithiumbatterien bei einer Ladung von 40–50 % bietet unter anderem folgende Vorteile:

• Geringere Belastung der Elektroden : Niedrigere Ladungsniveaus verringern die Belastung der Kathode und Anode und bewahren so ihre strukturelle Integrität.

• Minimiertes Überspannungsrisiko : Indem die Ladung unter 50 % gehalten wird, wird eine Überspannung vermieden, die zu einem thermischen Durchgehen führen kann.

• Längere Haltbarkeit : Bei Batterien, die auf diesem Niveau gelagert werden, sinkt die Kapazität langsamer, sodass sie länger betriebsbereit bleiben.

2.2 Risiken der Überladung und Tiefentladung während der Lagerung

Unsachgemäße Lagerung, wie Überladung oder Tiefentladung, kann die Leistung und Sicherheit von Lithiumbatterien erheblich beeinträchtigen. Überladung tritt auf, wenn die Batteriespannung ihren maximalen Grenzwert überschreitet, was zu übermäßiger Wärmeentwicklung und einem möglichen thermischen Durchgehen führt. Tiefentladung hingegen tritt auf, wenn die Batterieladung unter das sichere Mindestniveau fällt, was zu irreversiblen Schäden an den Elektroden führt.

Zu den mit einer Überladung verbundenen Risiken gehören:

• Thermisches Durchgehen : Übermäßige Hitze kann eine Kettenreaktion auslösen, die zu einem katastrophalen Ausfall führt.

• Elektrolytzersetzung : Überladung beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyts und verringert die Kapazität der Batterie.

• Verkürzte Lebensdauer : Längeres Überladen erhöht den Innenwiderstand und führt zu einer schnelleren Verschlechterung.

Eine Tiefentladung birgt ebenso große Risiken:

• Elektrodenverschleiß : Niedrige Ladungsniveaus führen zu struktureller Belastung der Elektroden und verringern so ihre Wirksamkeit.

• Erhöhter Kapazitätsverlust : Batterien, die tiefen Entladezyklen ausgesetzt sind, verlieren schneller an Kapazität.

• Systemausfälle : Tiefentladungen können zum Abschalten von Batteriemanagementsystemen (BMS) und Wechselrichtern und damit zu Betriebsstörungen führen.

Die folgende Tabelle fasst die Ergebnisse verschiedener Studien zu den Auswirkungen einer Tiefentladung zusammen:

Um diese Risiken zu vermeiden, sollten Sie Lithiumbatterien mit dem empfohlenen Ladezustand von 40–50 % lagern und ihren Zustand mit einem zuverlässigen Batteriemanagementsystem (BMS) überwachen. So bleiben die Batterien sicher und einsatzbereit für kritische Anwendungen wie medizinische Geräte, Roboter und Instrumentierungssysteme.

Teil 3: Ideale Bedingungen zur Lagerung von Lithiumbatterien

3.1 Temperaturrichtlinien für die Lagerung

Die Temperatur spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien. Ungeeignete Temperaturbedingungen können zu Kapazitätsverlust, Sicherheitsrisiken und einer verkürzten Lebensdauer führen. Für eine optimale Lagerung müssen Sie folgende Richtlinien beachten:

• Vermeiden Sie extreme Kälte : Die Lagerung von Batterien unter Gefrierbedingungen kann zu Lithium-Plating und damit zu dauerhaftem Kapazitätsverlust führen. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen in der Robotik oder in medizinischen Geräten, bei denen Zuverlässigkeit von größter Bedeutung ist.

• Vermeiden Sie hohe Temperaturen : Erhöhte Temperaturen können zwar vorübergehend die Leistung steigern, beschleunigen aber die Alterung und erhöhen das Risiko eines thermischen Durchgehens. Beispielsweise verkürzt jeder Anstieg um 1 °C über den zulässigen Bereich die Batterielebensdauer um etwa zwei Monate.

• Optimale Reichweite einhalten : Die ideale Lagertemperatur für Lithium-Ionen-Akkus liegt zwischen 15 °C und 25 °C. Dieser Bereich minimiert chemische Reaktionen, die die internen Komponenten des Akkus beschädigen.

Tipp : Nutzen Sie temperaturgeregelte Lagerräume, um die Bedingungen effektiv zu überwachen und zu regulieren. Schulungen im richtigen Batteriemanagement können Sicherheit und Leistung zusätzlich verbessern.

3.2 Feuchtigkeit und Umweltfaktoren

Feuchtigkeit ist ein weiterer kritischer Faktor, der den Zustand von Lithium-Ionen-Batterien während der Lagerung beeinflusst. Übermäßige Feuchtigkeit kann unerwünschte chemische Reaktionen auslösen, die zu Kapazitätsverlust und Sicherheitsrisiken führen. So wirkt sich Feuchtigkeit auf die Batterieleistung aus und wie Sie diese Risiken minimieren können:

• Feuchtigkeitsbedingte Reaktionen : Feuchtigkeit kann mit dem Elektrolyten reagieren und Flusssäure (HF) bilden. Dies schädigt die Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI), was zur Zersetzung des Elektrolyten und zum aktiven Lithiumverbrauch führt.

• Stabile Bedingungen : Die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit verhindert diese Reaktionen und minimiert die Selbstentladungsraten.

• Umfassende Überwachung : Die Luftfeuchtigkeit ist einer von acht Faktoren, die die Ladezustandsvorhersage (SOC) von Batterien beeinflussen. Weitere Faktoren sind die Zellentemperatur, die Umgebungstemperatur und die Akkuspannung.

Hinweis : Verwenden Sie Luftentfeuchter und sorgen Sie für ausreichende Belüftung in Lagerbereichen, um eine trockene Umgebung zu gewährleisten. Dies ist besonders wichtig für industrielle Anwendungen wie Messgeräte , bei denen Präzision und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

3.3 Best Practices für die Wahl eines Speicherorts

Die Wahl des richtigen Lagerorts ist entscheidend für die sichere Lagerung und Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Befolgen Sie diese Best Practices, um die Lagerbedingungen zu optimieren:

Überprüfen Sie die Batterien : Überprüfen Sie sie vor der Lagerung auf physische Schäden oder Defekte. Beschädigte Batterien können ein Sicherheitsrisiko darstellen und sollten mit Vorsicht behandelt werden.

Laden Sie die Batterien teilweise auf : Laden Sie die Batterien vor der Lagerung auf 40–50 % ihrer Kapazität auf. Dies minimiert die Belastung der Elektroden und verringert das Risiko einer Tiefentladung.

Kühl und trocken lagern : Vermeiden Sie Bereiche mit hoher Luftfeuchtigkeit oder extremen Temperaturen. Die ideale Lagertemperatur liegt zwischen 15 °C und 25 °C.

Sorgen Sie für ausreichende Belüftung : Eine gute Luftzirkulation verhindert Hitzestau und reguliert den Feuchtigkeitsgehalt.

Vermeiden Sie direkte Sonneneinstrahlung : Sonneneinstrahlung kann zu Überhitzung führen und die internen Komponenten der Batterie beschädigen.

Hinweis : Lagern Sie Lithiumbatterien immer in Gestellen, um eine gute Luftzirkulation zu gewährleisten. Dies verhindert Hitzestau und gewährleistet eine gleichbleibende Leistung. Bei industriellen Anwendungen, wie z. B. Energiespeichersystemen , kann die Einhaltung dieser Praktiken die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie deutlich verbessern.

Teil 4: Wartungspraktiken für gelagerte Lithium-Akkupacks

4.1 Regelmäßige Ladezustandskontrolle und Aufladen

Die regelmäßige Überprüfung des Ladezustands gelagerter Lithium-Ionen-Akkus ist unerlässlich, um deren Funktionsfähigkeit und Leistung zu erhalten. Bei länger gelagerten Akkus kann es zu einer Selbstentladung kommen, die unkontrolliert zu einer Tiefentladung führen kann. Um die Selbstentladung zu minimieren, sollten Sie den Ladezustand (SOC) alle drei bis sechs Monate überprüfen und die Akkus bei Bedarf auf den empfohlenen Ladezustand von 40–50 % nachladen. So wird eine Tiefentladung verhindert und die Einsatzfähigkeit der Akkus für kritische Anwendungen wie medizinische Geräte oder Robotik sichergestellt.

Predictive-Maintenance-Frameworks, unterstützt durch Machine-Learning-Algorithmen wie Improved Random Forest (IRF), können diesen Prozess verbessern. Diese Frameworks bieten Echtzeitdiagnosen und SOC-Schätzungen und ermöglichen so proaktive Eingriffe. Durch den Einsatz solcher Technologien können Sie die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verlängern und die Wartungskosten senken.

4.2 Zyklisierungsempfehlungen für die Langzeitlagerung

Bei der Langzeitlagerung trägt die regelmäßige Zyklisierung von Lithium-Ionen-Batterien dazu bei, ihre Kapazität zu erhalten und Degradation zu verhindern. Dabei werden die Batterien innerhalb eines kontrollierten Bereichs entladen und wieder aufgeladen. Studien an Al2O3-beschichteten NCM-Kathoden zeigen, dass regelmäßige Zyklisierung die Stabilität erhöht, indem sie Oberflächendegradation und Rissbildung verhindert. Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft für NMC-Lithiumbatterien, die eine Energiedichte von 160–270 Wh/kg und eine Lebensdauer von 1000–2000 Zyklen aufweisen.

So setzen Sie das Radfahren effektiv um:

• Entladen Sie den Akku alle sechs Monate auf 30–40 % und laden Sie ihn auf 50–60 % auf.

• Verwenden Sie ein Batteriemanagementsystem (BMS), um den Ladevorgang zu überwachen und zu steuern.

• Vermeiden Sie eine vollständige Entladung oder Überladung, da diese den Kapazitätsverlust beschleunigen kann.

4.3 Sichere Handhabung und Inspektion während der Wartung

Sicherer Umgang und regelmäßige Inspektionen sind entscheidend, um Schäden zu vermeiden und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten. Überprüfen Sie die Batterien vor der Wartung auf Beschädigungen, Korrosion oder Schwellungen. Beschädigte Batterien stellen ein Sicherheitsrisiko dar und sollten mit Vorsicht behandelt werden. Beachten Sie bei der Wartung die folgenden bewährten Vorgehensweisen:

Unfallberichte unterstreichen die Bedeutung sicherer Handhabungsverfahren. Richtlinien der University of Washington betonen beispielsweise die Notwendigkeit ordnungsgemäßer Lagerung und Handhabung, um Brandgefahren und Verletzungen vorzubeugen. Durch die Einhaltung dieser Protokolle gewährleisten Sie die Sicherheit und Zuverlässigkeit Ihrer Akkupacks.

Die richtige Lagerung und Wartung von Lithium-Ionen-Batterien ist entscheidend für deren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Wichtige Strategien sind die Lagerung der Batterien bei 40–50 % Ladung, die Einhaltung optimaler Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus sowie regelmäßige Inspektionen. Studien zeigen, dass Lithium-Ionen-Batterien nach drei Jahren Lagerung bei Raumtemperatur nur einen minimalen Kapazitätsverlust aufweisen, was die Wirksamkeit dieser Maßnahmen unterstreicht.

Die Umsetzung dieser Maßnahmen gewährleistet nicht nur die Betriebsbereitschaft, sondern reduziert auch die Kosten für einen vorzeitigen Batteriewechsel. So minimiert beispielsweise ein sorgfältiges Management der Betriebsbedingungen die Austauschkosten, insbesondere bei Energiespeichersystemen im Versorgungsbereich. Unternehmen können durch die Umsetzung dieser bewährten Strategien zur effektiven Lagerung von Lithiumbatterien langfristige Einsparungen und höhere Zuverlässigkeit erzielen.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie oft sollte man den Ladezustand gelagerter Lithiumbatterien prüfen?

Alle drei bis sechs Monate sollten Sie den Ladezustand prüfen. So vermeiden Sie eine Tiefentladung und sichern die Funktionsfähigkeit der Batterien.

Tipp: Professionelle Beratung zum Ladezustand gelagerter Lithiumbatterien finden Sie auf Large Power .

2. Können extreme Temperaturen Lithiumbatterien während der Lagerung beschädigen?

Ja, extreme Temperaturen können Lithiumbatterien schädigen. Hohe Hitze beschleunigt die Alterung, während Frost zu Lithium-Plating führt, was zu dauerhaftem Kapazitätsverlust führt.

3. Warum ist es wichtig, Batterien mit einer Ladung von 40–50 % zu lagern?

Durch die Lagerung von Batterien bei einer Ladung von 40–50 % wird die Belastung der Elektroden minimiert, der chemische Abbau verringert und ihre Lebensdauer verlängert, sodass sie weiterhin einsatzbereit bleiben.