Wie lange ist die Lebensdauer einer Lithiumbatterie? Womit hängt die Lebensdauer einer Lithiumbatterie zusammen?

Lithiumbatterien finden breite Anwendung in Mobiltelefonen, Computern, Elektrofahrzeugen, Straßenlaternen und kleinen Haushaltsgeräten des täglichen Gebrauchs. Aufgrund ihrer Eigenschaften und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten bieten sie vielversprechende Marktchancen. Dieser Artikel erläutert detailliert die wichtigsten Aspekte der Lebensdauer von Lithiumbatterien.

Die wissenschaftliche Bezeichnung für eine Lithiumbatterie lautet Lithium-Ionen-Batterie. Es handelt sich dabei um eine Batterie, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung als positivem/negativem Elektrodenmaterial besteht und eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet. Aufgrund ihrer Eigenschaften lassen sie sich in drei Kategorien einteilen: chemische, physikalische und biologische Batterien.

Die Lithiumbatterie besteht aus zwei Teilen: der Batteriezelle und der Schutzplatine PCM (auch Batteriemanagementsystem BMS genannt). Die Batteriezelle setzt sich hauptsächlich aus positivem und negativem Elektrodenmaterial, Elektrolyt, Membran und Gehäuse zusammen. Sie ist sozusagen das Herz der Lithiumbatterie, das Managementsystem ihr Gehirn. Die Schutzplatine besteht im Wesentlichen aus einem Schutzchip (oder Managementchip), MOSFETs, Widerständen, Kondensatoren und Leiterplatten.

• Materialien wie Naturgraphit, künstlicher Graphit, Erdölkohlenstoff, Kohlenstofffasern, pyrolytischer Harzkohlenstoff, mesophasische Kohlenstoffmikrokügelchen usw.
• Zinnbasierte negative Elektrodenmaterialien: Zinnbasierte negative Elektrodenmaterialien lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: zinnbasierte Kompositoxide und Zinnoxide. Die Oxide zinnbasierter Metalle in verschiedenen Wertigkeitsstufen sind Oxide, von denen keine kommerziellen Produkte existieren.
• Hydride: Es gibt keine kommerziellen Produkte auf dem Markt.
• Legierungen: einschließlich Legierungen auf Siliziumbasis, Legierungen auf Aluminiumbasis, Legierungen auf Zinnbasis, Legierungen auf Speicherbasis, Legierungen auf Antimonbasis, Legierungen auf Magnesiumbasis und andere Legierungen, derzeit keine kommerziellen Produkte.
• Nanoscale: Nanolegierungsmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren.
• Nano-Oxid: Aus der Analyse der neuesten Marktentwicklungstrends der Lithiumbatterie-Neuenergieindustrie im Jahr 2009 geht hervor, dass viele Unternehmen begonnen haben, Nano-Siliziumoxid und Nano-Titanoxid zu den traditionellen Graphit-, Kohlenstoffnanoröhren- und Zinnoxiden hinzuzufügen, wodurch die Lade- und Entladekapazität sowie die Anzahl der Lade- und Entladezyklen von Lithiumbatterien erheblich erhöht werden.

• Die Anzahl der Ladezyklen gibt Aufschluss über die Lebensdauer von Lithium-Batterien. Üblicherweise erreichen Lithium-Batterien für Mobiltelefone und Tablet-Computer 300–500 Ladezyklen, während High-End-Lithium-Batterien 800–1000 Zyklen ermöglichen. Im Alltag werden Mobiltelefone und Tablet-Computer meist nur oberflächlich genutzt. Daher können herkömmliche Lithium-Batterien durchaus 1000–2000 Ladezyklen erreichen. Bei täglichem Laden und Entladen können Lithium-Batterien somit über zwei Jahre lang verwendet werden.
• Bei einem bestimmten Lade- und Entladesystem bezeichnet die Anzahl der vollständigen Lade- und Entladezyklen, die ein Akku übersteht, bevor seine Kapazität einen bestimmten Wert unterschreitet, die sogenannte Zyklenlebensdauer. Akkukapazität und Lebensdauer nehmen mit jedem Zyklus ab. Die Anzahl der Ladezyklen entspricht nicht der Zyklenlebensdauer. Mehrfaches Laden innerhalb eines Lade- und Entladezyklus führt zu einem zusätzlichen Kapazitätsverlust.
• Eine Lithium-Einzelzelle hat eine lange Lebensdauer. Werden mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet, um einen Akku zu bilden, verringert sich die Zyklenlebensdauer erheblich, wobei die Abnahmerate mit zunehmender Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen abnimmt.

• Entladetiefe und Ladezeiten

Die Anzahl der Ladezyklen ist proportional zum Entladegrad: Je geringer der Entladegrad, desto öfter kann der Akku wiederaufgeladen werden. Die Gesamtzahl der abgeschlossenen Ladezyklen entspricht der Anzahl der Ladezyklen multipliziert mit dem Entladegrad. Je geringer die Gesamtzahl der abgeschlossenen Ladezyklen, desto geringer die Lebensdauer des Akkus, d. h.: Die tatsächliche Akkulaufzeit entspricht der Anzahl der Ladezyklen multipliziert mit dem Entladegrad.

• Überladung, Tiefentladung und hohe Lade- und Entladeströme

Die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus wird durch jede Form der Überladung beeinträchtigt, was zu schweren Schäden oder sogar Explosionen führen kann. Daher muss eine Überladung unbedingt vermieden werden. Ebenso muss eine Tiefentladung unter 2.5 V oder 2 V verhindert werden, da dies den Lithium-Ionen-Akku schnell und dauerhaft schädigt. Zudem besteht die Gefahr eines Kurzschlusses durch die interne Metallisierung, wodurch der Akku unsicher und unbrauchbar wird. Auch zu hohe Lade- und Entladeströme sollten vermieden werden, da diese den Akku übermäßig belasten.

• Zu kalt und zu große Umgebung

Die Lebensdauer von Lithiumbatterien wird stark von der Temperatur beeinflusst. Elektronische Geräte mit Lithiumbatterien können bei Minustemperaturen beim Öffnen leicht durchbrennen. Umgekehrt verringern zu hohe Temperaturen die Kapazität der Batterie. Digitale Geräte sollten ausgeschaltet werden, sobald die Betriebstemperatur 60 °C übersteigt, da dies die Alterung von Lithium-Ionen-Akkus beschleunigt. Der optimale Entladetemperaturbereich für Lithium-Ionen-Akkus liegt zwischen 0 und 60 °C, der optimale Ladetemperaturbereich zwischen 0 und 45 °C.

• Längerer Volllastbetrieb, kein Stromzustand

Ein zu hoher oder zu niedriger Ladezustand beeinträchtigt die Lebensdauer einer Lithiumbatterie. Längerfristig niedriger oder gar kein Ladezustand erhöht den Widerstand der Elektronen im Inneren der Batterie und führt so zu einer Verringerung der Batteriekapazität. Der optimale Ladezustand liegt bei 50 % Kapazität, wodurch die Batterie die längste Lebensdauer erreicht. Um die Batterie zu schonen, sollte der Ladezustand im Allgemeinen zwischen 10 % und 90 % liegen.

Die obige Einleitung beschreibt die Lebensdauer von Lithiumbatterien. Mit der Entwicklung der Mikroelektronik im 20. Jahrhundert und dem stetigen Anstieg von Kleingeräten haben sich Lithiumbatterien auch in großem Umfang etabliert. Sie finden breite Anwendung in Energiespeichersystemen wie Solaranlagen, Windkraftanlagen, Feuerlöschanlagen und Wasserkraftwerken sowie in unterbrechungsfreien Stromversorgungen für Post und Telekommunikation. Darüber hinaus werden sie in Elektrofahrzeugen, Militärgeräten, der Luft- und Raumfahrt, Elektromotorrädern, Elektrowerkzeugen, E-Bikes und weiteren Anwendungen eingesetzt.