Lithium-Ionen-Akkus weit verbreitet in unserem täglichen Leben: Sie versorgen unsere Smartphones, Laptops, elektronische Uhren und andere tragbare Geräte mit Strom. Im Laufe der Zeit nimmt die Batteriekapazität jedoch ab und wir müssen die Geräte immer häufiger aufladen. In diesem Artikel betrachten wir die Hauptursachen für den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Akkus.
Eine der Hauptursachen für den Verlust der Batteriekapazität ist zyklische Lade-Entlade-Nutzung. Bei jedem Lade- und Entladezyklus treten Fehler bei chemischen Reaktionen auf, die in der Batterie auftreten. Diese Fehler häufen sich im Laufe der Zeit an und führen zu einer allmählichen Verringerung der Batteriekapazität. Faktoren wie hohe Temperatur und eine tiefe Entladung der Batterie werden ebenfalls beeinflusst.
Alter der Batterie ist ein weiterer Grund für den Verlust seiner Kapazität. Selbst wenn der Akku nicht verwendet wird, treten im Laufe der Zeit irreversible chemische Reaktionen in seiner Zusammensetzung auf, was zu einer Verringerung der Kapazität führt. Daher haben Batterien eine begrenzte Lebensdauer und müssen nach einer gewissen Zeit ausgetauscht oder repariert werden.
Auf ordnungsgemäßes Laden verzichten kann auch zu einem Verlust der Akkukapazität führen. Zum Beispiel kann das häufige Aufladen des Akkus, wenn das Gerät an den Ladevorgang angeschlossen ist, selbst wenn es vollständig aufgeladen ist, zu einer Verringerung der Kapazität führen. Das falsche Laden des Akkus mit einem falschen Ladegerät kann auch zu Beschädigungen des Akkus und zu einer Verringerung der Kapazität des Akkus führen.
Ursachen für den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus werden aufgrund ihres hohen Energiebedarfs in einer Vielzahl von Geräten, von Mobiltelefonen bis zu Elektroautos, weit verbreitet eingesetzt. Im Laufe der Zeit kann die Batteriekapazität jedoch abnehmen, was zu einer verkürzten Akkulaufzeit des Geräts führt.
Die Hauptursachen für den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Akkus sind die folgenden:
- Zyklisches Altern: jedes Laden und Entladen des Akkus führt zu leichten Veränderungen in seiner Struktur, was zu einer allmählichen Alterung der Batterie führt. Je mehr Lade- und Entladezyklen es gibt, desto schneller verliert der Akku seine Kapazität.
- Hohe Temperatur: eine erhöhte Umgebungstemperatur oder eine Überhitzung des Akkus kann zu einer schnelleren Alterung und zu einem Verlust der Kapazität führen. Es wird nicht empfohlen, Lithium-Ionen-Akkus bei hohen Temperaturen zu lagern oder zu betreiben, da dies zu irreversiblen Veränderungen in der Elektrodenstruktur führen kann.
- Partielle Ladung-Entladung: Akkus funktionieren am besten, wenn sie vollständig aufgeladen und entladen sind. Das teilweise Laden und Entladen kann zu einem sogenannten «Memory-Effekt» führen, wenn der Akku seine tatsächliche Kapazität vergisst und sich abschaltet, bevor eine vollständige Entladung auftritt.
- Langzeitlagerung mit geringer Ladung: batterien, die längere Zeit bei niedriger Ladung gelagert werden, können ihre Kapazität verlieren. Bei einer niedrigen Ladung können chemische Prozesse auftreten, die zur Bildung irreversibler Verbindungen und zur Verschlechterung der elektrochemischen Eigenschaften der Batterie führen.
Es wird empfohlen, die Empfehlungen des Herstellers zur Verwendung und Lagerung zu befolgen und häufige Tiefentladungen und Überhitzungen zu vermeiden, um die Batteriekapazität zu erhalten.
Elektrodenabbau
Die mechanische Einwirkung auf die Elektroden erfolgt durch volumetrische Veränderungen des aktiven Materials während der Ladung und Entladung. Wiederholte Verformung kann zu Rissen und Ablösen des aktiven Materials führen, was die Oberfläche der Elektroden verringert und zu einer Verschlechterung der elektrochemischen Reaktion führt.
Die chemische Einwirkung ist auf die Reaktion des aktiven Materials mit dem Elektrolyten zurückzuführen. Beim Laden und Entladen der Batterie werden die Elektroden Redoxreaktionen ausgesetzt, die zur Bildung unerwünschter Verbindungen und zur Passivierung der Elektrodenoberfläche führen können.
Die elektrische Einwirkung auf die Elektroden erfolgt durch Elektrodenpotentiale und elektrische Felder in der Batterie. Hohe elektrische Felder können Elektrolyseprozesse verursachen, was zur Zerstörung der Struktur der Elektroden und zur Bildung passiver Schichten führt.
Der Abbau von Elektroden kann durch die Verwendung stabiler und hochwertiger Materialien, die Optimierung der Struktur der Elektroden, die Kontrolle des Temperaturregimes und die Verwendung gesteuerter Lade- und Entlademethoden der Batterie reduziert werden.
Folienbildung auf der Oberfläche der Elektroden
Beim Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus bildet sich auf der Oberfläche der Elektroden ein dünner Film, der die freie Bewegung von Ionen zwischen den Elektroden verhindern kann. Dieser Film wird aus verschiedenen Substanzen wie Lithiumsalzen, organischen Lösungsmitteln und Reaktionsprodukten gebildet, die innerhalb der Batterie auftreten.
Ein Grund für die Filmbildung ist der Passivierungsprozess. Die Passivierung erfolgt durch die Reaktion der Elektrode mit dem Elektrolyten, was zur Bildung eines Schutzfilms auf der Oberfläche der Elektrode führt. Dieser Film kann nützlich sein, da er eine weitere Wechselwirkung der Elektrode mit dem Elektrolyten verhindert, aber er kann auch die Effizienz der Ladungsübertragung verringern und zu einem Verlust der Batteriekapazität führen.
Ein weiterer Grund für die Folienbildung ist der Zersetzungsprozess des Elektrolyten. Der Elektrolyt unterliegt chemischen Reaktionen, die zur Bildung von festen Ablagerungen und Folien auf der Oberfläche der Elektroden führen können, während die Batterie betrieben wird. Diese Ablagerungen, wie Lithiumsalze und organische Verbindungen, können den Lade- und Entladevorgang des Akkus beeinträchtigen und die Kapazität des Akkus verringern.
Die Bildung eines Films auf der Oberfläche der Elektroden ist eine der Hauptursachen für den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Akkus. Das Verständnis der Mechanismen, die zu diesem Prozess führen, ist wichtig für die Entwicklung neuer Materialien und Technologien, die dazu beitragen, die Effizienz und Langlebigkeit von Batterien zu erhöhen.
Lithium-Umverteilung
Im Laufe der Zeit wird jedoch Lithium neu verteilt, wenn eine bestimmte Anzahl von Ionen im aktiven Elektrodenmaterial stecken bleibt. Dies führt zu einer verminderten Akkuleistung und zu einer Verschlechterung der Akkukapazität. Der Prozess der Umverteilung von Lithium kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, z. B. durch ungleichmäßigen Verschleiß der Elektroden, unsachgemäße Verwendung der Batterie oder durch erhöhte Umgebungstemperaturen.
Die Umverteilung von Lithium kann zur Bildung von Platten oder zum Wachstum von Kristallen führen, was die freie Bewegung von Ionen verhindert und die Batteriekapazität verringert. Darüber hinaus kann eine ungleichmäßige Verteilung von Lithium elektrochemische Reaktionen auslösen, die zur Erzeugung von Gasen, zu einer Temperaturerhöhung und sogar zum Entzünden der Batterie führen. Daher ist es wichtig, die Lithium-Ionen-Batterien richtig zu pflegen, um eine Umverteilung von Lithium zu verhindern und ihre Kapazität auf einem hohen Niveau zu halten.
Überhitzung der Batterie
| Unsachgemäße Verwendung des Akkus | Einige Benutzer können ihre Geräte möglicherweise mit nicht kompatiblen Ladegeräten aufladen oder den Akku nicht für den beabsichtigten Zweck verwenden. Unsachgemäße Verwendung kann zu Überhitzung und Beschädigung des Akkus führen. |
| Umwelt | Hohe Umgebungstemperaturen können zu einer Überhitzung des Akkus führen. Wenn Sie das Gerät beispielsweise in direkter Sonne belassen oder in geschlossenen, nicht belüfteten Räumen aufbewahren, kann es zu einer Überhitzung des Akkus kommen. |
| Produktionsfehler | In einigen Fällen können Batterien Herstellungsfehler aufweisen, die zu einer Überhitzung der Batterien führen können. Zum Beispiel eine falsche Verbindung von Komponenten oder ein Fehler im Kühlsystem des Akkus. |
Eine Überhitzung des Akkus kann die Kapazität des Akkus beeinträchtigen und die Leistung beeinträchtigen. Darüber hinaus kann eine Überhitzung des Akkus gefährlich sein, da es zu einem Brand oder einer Explosion führen kann.
Um eine Überhitzung des Akkus zu vermeiden, ist es wichtig, die Empfehlungen des Herstellers für die Verwendung und das Laden des Akkus zu befolgen und den Akku bei hohen Temperaturen für längere Zeit nicht zu verwenden.
Zyklische Kapazitätsverluste
Während zyklischer Prozesse treten irreversible Prozesse auf, die zu physikalisch-chemischen Veränderungen in den Batteriematerialien führen. Zum Beispiel interagiert das aktive Anodenmaterial (normalerweise Graphit) während der Entladung mit Lithium, was zu komplexen Strukturen führt, die während des Wiederaufladens nicht vollständig zerstört werden können. Dies kann zu einer Ansammlung von "klebrigen" Lithiumionen und zu einer Verschlechterung der elektrochemischen Reaktionen führen.
Darüber hinaus sind zyklische Kapazitätsverluste auch mit dem Abbau des Batterieelektrolyten und einer Veränderung der Struktur der aktiven Elektrodenschichten verbunden. Durch wiederholte Lade- und Entladevorgänge kann der Elektrolyt abgebaut werden, was zu einer Verschlechterung der Leitfähigkeit der Batterie führt. Es können auch Veränderungen in der Struktur der aktiven Elektrodenschichten auftreten, z. B. Risse oder abblätternde Schichten, was ebenfalls zu einem Kapazitätsverlust führen kann.
Verschiedene Strategien, wie die Verbesserung von Elektroden- und Elektrolytmaterialien, die Optimierung von Lade- und Entladealgorithmen und die Entwicklung neuer Batteriedesigns, werden entwickelt, um zyklische Kapazitätsverluste zu reduzieren. Ziel dieser Studien ist es, die Effizienz und Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Akkus zu erhöhen.
Externe Faktoren und Betriebsbedingungen
Es gibt eine Reihe externer Faktoren und Betriebsbedingungen, die zum Verlust der Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus führen können. Sie beinhalten:
Hohe oder niedrige Temperatur
Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch einen bestimmten Temperaturbereich aus. Wenn der Akku überhitzt oder unterkühlt wird, kann es zu einer falschen Funktion kommen, die zu einem Verlust der Kapazität des Akkus führt.
Überspannung oder Mangel an Ladung
Wenn die Batterie einer Überspannung ausgesetzt ist oder die Ladung nicht ausreichend ist, kann dies zu einer Verschlechterung der Batterie führen und die Kapazität verringern.
Mechanische Beschädigungen
Stöße, Stürze oder andere mechanische Beschädigungen können dazu führen, dass die Struktur des Akkus beschädigt wird und die Akkuleistung im Laufe der Zeit beeinträchtigt wird.
Lange Lagerung ohne Verwendung
Wenn der Akku längere Zeit nicht benutzt und ohne Ladung gelagert wird, kann er sich selbst entladen und die Kapazität verlieren.
Verwenden eines inkompatiblen Ladegeräts
Die Verwendung eines falschen Ladegeräts kann dazu führen, dass der Akku nicht richtig geladen wird, was die Kapazität des Akkus beeinträchtigen kann.
All diese externen Faktoren und Betriebsbedingungen können die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus erheblich reduzieren und seine Lebensdauer verkürzen.
Elektrolytinstabilität
Der Elektrolyt in Lithium-basierten Batterien besteht normalerweise aus Lithiumsalz, das in einer organischen Verbindung gelöst ist. Beim Laden und Entladen des Akkus treten jedoch chemische Reaktionen auf, die zum Abbau des Elektrolyten führen können.
Erstens kann die Bildung passiver Schichten auf der Oberfläche der Elektroden zu einer Vergänglichkeit des Elektrolyten führen. Diese Schichten können sich aus Oxidationsprodukten der Elektrode bilden und können die normale Diffusion von Ionen durch den Elektrolyten verhindern.
Zweitens können Reaktionen zwischen dem Elektrolyten und den Elektrodenmaterialien dazu führen, dass sich die Zusammensetzung des Elektrolyten ändert und neue Produkte entstehen, die seine Leitfähigkeit beeinträchtigen können. Zum Beispiel kann es aufgrund der Oxidation von Lithium durch Luft oder Wasser zu passiven Oxidschichten auf der Elektrodenoberfläche kommen.
Außerdem kann sich der Elektrolyt aufgrund thermischer Zersetzung bei erhöhten Temperaturen oder aufgrund falscher Lade- und Entladebedingungen des Akkus zersetzen.
All diese Faktoren können zu einem Verlust der Akkukapazität und zu einer Verschlechterung der Akkuleistung im Laufe der Zeit führen.
