Lithium-Ionen-Akkus: Alterung

Wissenschaft Chemie
#1

Hallo,

ich wusste nicht genau, in welcher Kategorie ich die Frage stellen soll. Wie verlängert man die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus

Folgendes ist mir bekannt:

  • Lagerung sollte nahe der Nennspannung erfolgen (etwa bei 50 %)
  • Höhe Temperaturen bei der Lagerung reduzieren die kalendarische Lebensdauer
  • niedrige Lade- und Entladeströme erhöhen die zyklische Lebensdauer
  • häufiges Teilladen, sodass die Spannung des Akkus nahe um die Nennspannung schwankt, erhöht gegenüber dem stärkeren dafür seltener durchgeführten Laden die zyklische Lebensdauer

Aber welchen Einfluss hat die Temperatur beim Laden- und Entladen.

Richtig ist auch hier, dass die zyklische Lebensdauer bei zu hohen und zu niedrigen Temperaturen sinkt. Aber insbesondere beschäftigt mich folgende Frage:

Szenario 1: Der Akku hat eine Temperatur von 0°C und wird von 50% auf 90% geladen.
Szenario 2: Der Akku hat eine Temperautr von 0°C und wird von 90% auf 50% entladen.

Wirken sich beide Szenarien gleichmaßen negativ auf die zyklische Lebensdauer aus, oder ist z.B. das Laden bei Kälte schädlicher als das Entladen bei Kälte.

Auf diese Frage gründet die Überlegung, ob ein Elektrofahrzeug nach der täglichen Fahrt am Abend aufgeladen werden soll, wenn der Akku noch halbwegs warm ist, um eine möglichst hohe Temperatur beim Laden zu erreichen oder ob der Akku erst kurz vor Fahrbeginn geladen werden soll, um stattdessen eine möglichst hohe Temperatur beim Entladen zu gewährleisten, da sich durch das Laden und Entladen der Akku jeweils erwärmt.

Gibt es dazu Studien oder konkrete Prinzipien in der Akkutechnik?

#2

Hallo,
soweit ich weiß verfügen die Traktionsbatterien der E-Autos i.d.R. über ein Batteriemanagement.
Das verhindert bei zu niedrigen Temperaturen zu hohe Lade- und Entladeströme.
Ebenso werden hohe Ladeströme im oberen Ladezustand verhindert. Es gibt Fahrzeuge die sehr lange eine hohe Ladeleistung ermöglichen. Das hängt von der chemischen Zusammensetzung der Akkuelektroden ab.
Bei aktuellen Akkus musst du dir vermutlich keine Sorgen über die Lebensdauer machen, solange die Schnellladung eher die Ausnahme ist.

Untersuchungen und Studien zum Verhalten der Akkus im Winter gibt es gerade jetzt zuhauf auf Youtube.

#3

Einfache Antwort: Gar nicht.
Alle LiON-Akkus haben eine Ladeelektronik eingebaut, die genau das mitregeln soll.
Es wäre also viel mehr die Frage, wie gut die einzelnen Hersteller das hinbekommen.

Genau dafür die die Ladeelektronik da, um das zu steuern.
Wenn Du da manuell eingreifst, wirst Du möglicherweise minimal was anpassen können - vielleicht - ob positiv oder negativ stünde noch nicht mal fest.
Da steht m. E. Aufwand:Nutzen in keinem Verhältnis.

Wenn es Dir generell um die Physik und Forschung von Akkus geht, wäre das natürlich ein Thema, das man beschnacken könnte - aber nicht in dem von Dir genannten Kontext.

#4

Ja, ich interessiere mich auch für die Physik / Chemie dahinter.

Außerdem habe ich schlichtweg kein Batteriemanagementsystem in meinem Fahrzeug. Da laufen alle Einstellungen manuell.

#5

Lagern ab / unterhalb von +10°C verkürzt zB die Lebensdauer ggf. deutlich. Da hat kein BattManagement drauf Einfluss. Hab beim Sportplatz mal gemeckert, dass die Mäh-Robbis nicht im Winter draußen sein sollten bei -20°C und sie haben sie (wegen mir) weggenommen. :slight_smile:

Lagern am besten zwischen 30 - 60% Kappa. Bei langen Stehphasen beachten!
Kumpel fliegt Modellflug und er lädt sie erst kurz vor dem Fliegen dann auf 100% um Lebensdauer zu verlängern.

Gibt bestimmt noch mehr so gute Regeln…
Optimales Laden etc. mit x*C das wird ja alles über die Elektronik geregelt…

#6

Nein, wird es nicht.

Aber danke für diese Infos. Das deckt sich soweit auch mit meinen Informationen, wobei ich aber bezüglich der Lagertemperatur anderes gehört habe:

Da chemische Reaktionen langsamer ablaufen, umso kälter es ist, würde ich eher sagen: Je tiefer die Lagertemperatur, desto besser. Ich lagere z.B. auch meine NiCd-Akkus (wiederaufladbare AA und AAA-Batterien) nach dem Aufladen in der Tiefkühltruhe bei -16°C, um einerseits die Selbstentladung zu reduzieren und andererseits den Alterungsprozess durch die relativ hohe Spannung der Zellen im geladenen Zustand zu verlangsamen. Bisher konnte ich keine negativen Auswirkungen feststellen.

Aber es geht mir in erster Linie vorallem darum, ob das Laden oder das Entladen bei tiefen Temperaturen schädlicher ist.

Übrigens haben elektronisch geregelte Akkus einen entscheidenden Nachteil: Sie wissen nicht, welche Kapazität gerade benötigt wird. Es macht z.B. überhaupt keinen Sinn, mein Smartphone auf 100% aufzuladen, wenn ich am Ende des Tages noch 50% Endkapazität habe. Um den Akku zu schonen wäre es besser das Smartphone nur auf 70 bis 80% aufzuladen, nur so als Beispiel. Ich weiß aber nicht wie das bei handelsüblichen Elektroautos abläuft, ob man da die benötigte Reichweite für den nächsten Tag eingeben kann. Bei mir erfolgt jedenfalls alles manuell, mit Einstellungen zur Ladeendspannung und der Ladestromstärke. Darüber hinaus kann ich auch noch die Endkapazität des Akkus manuell einstellen. Selbstverständlich lässt sich auch der Entladestrom und damit die maximale Leistung einstellen.

#7

Moin,

Um welches Fahrzeug handelt es sich? Lithium Akkus benötigen zwingend eine Mindestmaß an Management, um beim Laden nicht beschädigt zu werden.

-Luno

#8

Das ist wurscht für den Akku ob er entladen oder Geladen wird, es passiert dort das Gleiche, einmal gehen die Ionen von Rechts nach Links, einmal von Links nach rechts.

hohe Temperaturen mögen die Batterien nicht, am leibsten so um die 25°C bei über 50 kommt es zu Schädigungen.

Da kommtes darauf an, ob der Speicher nur teilweise oder ganz voll gemacht werden soll. Das kann man bei den meisten E-Autos einstellen.
Einige Hersteller empfehlen 30-60 % Ladung andere 30-80 %. Dies stellt man an sein Fahrzeug ein. Wenn man 100 % benötigtg sagt man es den Fahrzeug am besten vorher, Wann die Fahrt starten soll. Dieses Läd dann so, dass das Maximum kurz vor Antritt der Fahrt erreicht wird. Denn ein Akku ist nicht gerne lange voll.

Auf youtube findest du unter Auto Motor Sport die reihe Bloch erklärt. Dort gibt es einige videos über Akku Batterien. Auch ausfahrt TV hat mal einen länger Beitrag gemacht denke das war zusammen mit Opel.

#9

Mit hohen Temperaturen meinte ich relativ hohe Temperaturen im Winter, also um nahe an 25°C ranzukommen.

Das hätte ich auch gesagt und es klingt plausibel. Aber ich habe von einem Mechaniker, der sich auf Elektroautos spezialisiert hatte, gehört, dass das Laden bei niedrigen Temperaturen schädlicher wäre als das Entladen. Auf Wikipedia steht z.B. auch: „Durch Laden bei niedrigen Temperaturen tritt meist eine sehr starke Alterung auf, die mit irreversiblem Kapazitätsverlust einhergeht.“ [https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator#cite_note-63] [Quelle: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775314004352?via%3Dihub] Andererseits steht nichts davon, ob auch das Laden so schädlich ist.
Genau zu diesem Satz suche ich eine Bestätigung. Der Zugriff zur verlinkten Wikipedia-Quelle kostet immerhin 40 $.

Oder gibt es vielleicht irgend eine Hypothese, die die überproportionale Schädigung beim Laden in sehr kalter Umgebung erklären könnte?

Wieso wirkt sich überhaupt ein viskoser Elektrolyt schädlich auf den Akku aus, wenn man ihn lädt oder entlädt. Nach meiner Vorstellung geht alles einfach nur langsamer.

Oder kann man vielleicht argumentieren, dass die Ionen beim Laden unfreiwillig aus dem Metalloxid herausgelöst werden und somit gegen die Viskosität des Elektrolyten „angekämpft“ werden muss, während das Entladen freiwillig abläuft und ohnehin durch die Viskosität des Elektrolyten begrenzt wird? Beim Laden bei kalten Temperaturen benötigt man aufgrund des Innenwiderstandes durch den Elektrolyten eine höhere Ladespannung. Vielleicht ist ja diese höher erforderliche Ladespannung ein Faktor, der das Laden vom Entladen bei kalten Temperaturen unterscheidet. Ich spekuliere hier bloß.

#10

Naja, vielleicht stimmt „kein Management“ nicht ganz. Aber du kannst halt ziemlich viel einstellen und musst dich erstmal informieren. Was natürlich überwacht wird, ist die Einhaltung des eingestellten Ladestroms und ob der Akku die eingestellte Ladeendspannung erreicht hat. Aber es ist nicht so intuitiv wie bei anderen Elektroautos. Ich fahre ein Twike 3.

#11

Moin,

Bei unserer ZOE und auch anderen BEV gibt es kein intuitiv. Kabel ran -> laden. Ende. Den Rest erledigt das Fahrzeug selber. Da oft der Typ 2 Stecker (an einer Wallbox) verbaut ist, steckt in der Mimik eine rudimentäre Kommunikation, die dem Fahrzeug sagt, wie viel Strom die Wallbox max. liefert. Damit muss das Fahrzeug dann klar kommen. Wobei ich gesehen habe, für Twike gibt es auch Typ 2. Aber die Ladeströme liegen eher im homöopathischen Bereich. :wink:
Da viele BEV Ladeleistungen von ca. 4 kW bis 22 kW erlauben (oder sogar deutlich über 50 kW, aber dann Gleichspannung), wäre es wahrscheinlich unklug, das dem Nutzer zu überlassen, wenn man Batterien mit 50 kWh und mehr unterm Popo hat. :wink:

Wir können an der Wallbox Ladeströme von 6 bis 16 Ampere einstellen, wobei die 6 Ampere bei uns nicht funktionieren. Die ZOE kann mit der geringen Leistung bei 6 A dreiphasig einfach nichts anfangen.

-Luno