Ultimativer Leitfaden zur Batteriealterung

Für viele Transport- und Energiedienstleister ist es eine Priorität, die Langlebigkeit und optimale Leistung ihrer Batterien sicherzustellen. Durch ein besseres Verständnis der Batteriealterung können wir lernen, wie wir die Lebensdauer von Batterien verlängern können.

Artikel von | ACCURE Batterieintelligenz

In diesem Artikel werden viele neue Begriffe rund um die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien vorgestellt. Da nicht jeder ein Batterieexperte ist, möchte ich einige grundlegende Begriffe erläutern, die uns den Einstieg in das Thema Batteriealterung erleichtern sollen:

Schlüsselbegriff

Definition

Die Batteriealterung ist sehr komplex, nichtlinear und wird von vielen Parametern beeinflusst. So lässt sich beispielsweise beobachten, dass Akkus auch dann altern, wenn sie nicht genutzt werden. Aber im Allgemeinen altern Batterien schneller, wenn sie benutzt werden. Um die Komplexität zu bewältigen, ist es üblich, die Alterung in drei Bereiche zu unterteilen: kalendarische, zyklische und reversible Alterung:

Bei der Alterung von Batterien laufen verschiedene Alterungsmechanismen gleichzeitig ab. Jeder Alterungsmechanismus hat Auswirkungen auf das Verhalten der Batterie. Die Wirkung kann in zwei Leistungsparameter unterteilt werden: Kapazität und Innenwiderstand.

Batterien verlieren mit zunehmendem Alter an Kapazität. Bei einem Elektrofahrzeug bedeutet der Kapazitätsverlust, dass das Elektrofahrzeug nicht mehr so ​​weit fahren kann wie früher, ohne zum Aufladen anzuhalten. Und bei der stationären Energiespeicherung bedeutet dies, dass die Batterie weniger Energie speichern kann und somit weniger Umsatz generiert. Wie schnell die Kapazität abnimmt, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter dem Batterietyp, den Lade- und Entladeraten, den Temperaturen, denen er ausgesetzt ist, und der Anzahl der Zyklen, die er durchlaufen hat.

Betrachtet man die Alterung einer Lithium-Ionen-Batterie, lässt sich der Alterungstrend grob in drei Phasen einteilen, wie in Abbildung 1 dargestellt:

Abbildung 1: Alterung der Batterie – typischer Lebenszyklus der Batteriekapazität‍

Im Gegensatz zum Kapazitätsverlust erhöht sich mit der Zeit der Innenwiderstand einer Batterie, was im Umkehrschluss zu einer Leistungsreduzierung führt. Dies ist insbesondere für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) relevant. Der zunehmende Innenwiderstand in einem HEV bedeutet, dass Sie nicht mehr so ​​schnell beschleunigen können wie zuvor und dass beim Bremsen weniger Energie zurückgewonnen wird. Für stationäre Speicherbetreiber bedeutet dies eine verringerte Effizienz und Leistungsfähigkeit.

Die Hauptursache für die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien ist das Wachstum der Oberflächenelektrolyt-Interphase (SEI). Die SEI-Schicht bildet sich auf der negativen Elektrode während des ersten Ladezyklus, der üblicherweise als Formationszyklus bezeichnet wird. Der SEI wird mit der Zeit dicker und wird hauptsächlich durch die Elektrolytchemie und die mechanische Belastung der aktiven Materialien beeinflusst. Die SEI wird typischerweise auf der Anode gebildet, die größtenteils aus Graphit, manchmal gemischt mit Silizium, besteht.

Wenn die Oberflächenelektrolyt-Interphase wächst, bindet sie Lithium. Dadurch nehmen weniger Lithium-Ionen an den Lade- und Entladereaktionen teil und die Batteriekapazität nimmt ab. Auch beim Laden und Entladen der Batterie passieren die Lithium-Ionen die SEI-Schicht. Je dicker das SEI ist, desto schwieriger ist es für die Ionen, sich hindurchzubewegen. Aus diesem Grund steigt der Innenwiderstand: Der SEI wächst mit zunehmendem Alter der Batterie.

Zusätzlich zum SEI-Wachstum gibt es zahlreiche weitere Prozesse wie Rissbildung und Korrosion, die die Alterung der Batterie beeinflussen. Wir werden diese jedoch in einem anderen Artikel behandeln.

Kalenderalterung

Die Haupttreiber der kalendarischen Alterung sind Temperatur und Ladezustand (SOC). Insgesamt altern Batterien bei höheren Temperaturen und SOCs schneller. Eine durchschnittliche Absenkung um 10 °C oder 50 °F kann die Lebensdauer einer Batterie verdoppeln, wie in Abbildung 2 dargestellt. Denken Sie jedoch daran, Ihre Batterien aufgrund der Lithiumverflechtung nicht bei zu niedrigen Temperaturen zu betreiben.

Abbildung 2: Vergleich der Batteriealterung im Laufe der Zeit bei unterschiedlichen Ladezuständen und Temperaturen

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Bei höheren SOCs – insbesondere über 90 Prozent – ​​nimmt die Batteriealterung schnell zu, wie in Abbildung 3.3, 4, 5 dargestellt

Abbildung 3: Vergleich der Batteriealterung im Laufe der Zeit bei verschiedenen Ladezuständen

Die zyklische Alterung wird vom Energiedurchsatz dominiert – der Energiemenge, die in einem bestimmten Zeitraum durch die Batterie fließt – daher spielt die Anzahl der Zyklen eine entscheidende Rolle. Allerdings sind kleine Zyklen weniger schädlich als große, wie in Abbildung 4 (unten) dargestellt. Beispielsweise sind drei Zyklen mit 20 % Entladetiefe (DOD) weniger schädlich als ein Zyklus mit 60 % DOD, obwohl der Gesamtenergiedurchsatz gleich ist. Dies bedeutet, dass die Batterie mehr Zyklen durchhalten kann, wenn die Entladetiefe in einem begrenzten Bereich bleibt.

Abbildung 4: Vergleich anhaltender Zyklen bei unterschiedlichen Entladungstiefen

‍Außerdem beeinflusst die Ladeleistung die Zyklenlebensdauer. Eine höhere Ladeleistung bzw. „Schnellladen“ führt zu einer erhöhten Alterung. Ein Grund dafür ist, dass das Laden einer Batterie mit hoher Leistung die Temperatur erhöht, was zu einer beschleunigten Alterung führt. Ein weiterer Grund ist das erhöhte Risiko einer Lithiumbeschichtung.

Neben Temperatur, Ladeleistung, Durchsatz und Entladetiefe beschleunigen auch andere Effekte wie Phasenverschiebungen die Batteriealterung. Um tiefere Einblicke zu erhalten, fragen Sie-a-battery-expert[at]ACCURE.net

Mithilfe der oben beschriebenen Erkenntnisse über Alterungseffekte können intelligente Betriebsstrategien entwickelt werden, um die Batterielebensdauer auf einfache Weise zu verlängern. Nachfolgend finden Sie einige Empfehlungen für verschiedene Anwendungen. Das Wichtigste ist jedoch, Batterien nur innerhalb der vorgegebenen Lieferantengrenzen zu betreiben. Laden Sie Akkus beispielsweise nicht bei zu kalten oder zu heißen Temperaturen.

Es ist besonders wichtig, Elektrofahrzeuge lebenslang zu betreiben, da ein Drittel bis die Hälfte des Preises des Elektrofahrzeugs für die Batterie anfällt. Laden Sie den Akku nicht direkt nach der Heimkehr vollständig auf, wenn nur ein kleiner Teil der vollen Reichweite gefahren wurde. Wenn die Batterie voll aufgeladen bleibt, beschleunigt sich die Alterung so sehr, dass viele Autohersteller von den Benutzern verlangen, dass sie die Batterie manuell auf 100 Prozent aufladen.

Einige Apps für Elektrofahrzeuge bieten intelligente Funktionen, bei denen der Benutzer den Zeitpunkt eingibt, zu dem das Auto aufgeladen werden muss, um über längere Zeiträume hohe SOCs zu vermeiden. Wenn der Benutzer beispielsweise um 7 Uhr morgens zur Arbeit muss, beginnt der Ladevorgang bereits um 4 Uhr morgens, auch wenn das Auto früher angeschlossen ist.

Abschließend wird empfohlen, das Elektrofahrzeug nur bei Bedarf schnell aufzuladen. Beim Schnellladen werden hohe Ströme verwendet, was zu hohen Temperaturen führen kann. Beide sind im Hinblick auf die Alterung sehr kostspielig.

Im Bereich der Energiespeicherung wird die Batteriealterung oft übersehen. Die meisten Großspeichersysteme arbeiten mit einer Software, die nicht über eine umfassende Berücksichtigung der Batteriealterung verfügt. Beispielsweise ist die Software darauf ausgelegt, die erzielten Einnahmen zu optimieren, vernachlässigt jedoch die Verschlechterungskosten der Marktteilnahme.

Um die Gesamtbetriebskosten (TCO) von Speichersystemen im Versorgungsmaßstab zu optimieren, müssen die Abbaukosten verschiedener Zyklen berücksichtigt werden. Mit einem digitalen Zwilling können die Kosten jedes Zyklus verfolgt und systemübergreifend konsolidiert werden, um sie vergleichen zu können. Mit der Kenntnis sowohl der Einnahmen als auch der Kosten der Marktteilnahme kann der Gesamtbetrieb optimiert werden, um den maximalen Gesamtwert des Vermögenswerts zu erzielen.

Privathaushalte mit Photovoltaikanlagen (PV) auf dem Dach nutzen Heimbatteriespeicher zur Steigerung des Eigenstromverbrauchs. Diese Batteriesysteme kosten Tausende und werden zunehmend nachgefragt. Im vergangenen Jahr verzeichnete der Heimspeichermarkt in den USA zwei Rekordquartale mit installierten 375 (Q2) und 400 (Q4) MWh.6 Allein in Deutschland gibt es schätzungsweise 700.000 einzelne Heimspeichersysteme.7

An den meisten Tagen speichern Heimbatteriesysteme mehr Energie, als verbraucht wird. Dadurch werden die Speichersysteme in hohen SOC-Bereichen von 50 bis 100 Prozent getaktet, was zu einer erhöhten Alterung führt. Um die Alterung zu reduzieren, sollten die Systemeinstellungen das Laden der Batterien auf später am Tag verzögern. Dadurch verbringen die Akkus insgesamt weniger Zeit bei höheren Ladezuständen.

Darüber hinaus kann die prädiktive Batterieanalyse einen maximal benötigten Ladezustand basierend auf dem tatsächlichen Nutzungsverhalten im Zeitverlauf berechnen. Mit diesen Informationen kann das System so eingestellt werden, dass es den benutzerspezifischen SOC aufrechterhält, um den durchschnittlichen Ladezustand deutlich zu reduzieren und die Lebensdauer zu verlängern.

Ein häufiger Fehler besteht darin, Lithium-Ionen-Akkus die meiste Zeit voll aufgeladen zu halten. Hier finden Sie Empfehlungen zur Anpassung der Laderoutine, um die Batterielebensdauer zu verlängern und die Sicherheit zu erhöhen:

Die New Yorker Feuerwehr bietet hier einen hilfreichen Überblick über Sicherheitstipps zum Laden von Lithium-Ionen-Geräten.

Die Art und Weise, wie Batterien verwendet werden und unter welchen Bedingungen sie betrieben werden, hat einen erheblichen Einfluss auf die Alterung. Das bedeutet, dass Unternehmen, die den Betrieb und die Wartung kontrollieren, die Batterielebensdauer durch einfache, aber intelligente Anpassungen verlängern können. Jede Batterie altert anders. Aus diesem Grund empfehlen wir eine Batterie-Business-Intelligence-Lösung, die Betriebsdaten analysiert, um die sicherste und profitabelste Betriebsstrategie für Ihre spezifische Situation zu ermitteln. Sie können noch viel mehr tun, um die Lebensdauer von Batterien zu verlängern, indem Sie Daten in Taten umsetzen.

Verweise

1 Amrita Dasgupta, Max Schoenfisch. Tiefer Einblick in die Grid-Scale-Speicherinfrastruktur, International Energy Association. Datum der letzten Überarbeitung: September 2022. Abrufdatum: 8. März 2023 [https://www.iea.org/reports/grid-scale-storage]

2 Martin Placek. Metalle und Elektronik › Elektronik, Marktanteil verschiedener Arten von EV-Batterien weltweit 2020-2050, Statista. Datum der letzten Überarbeitung: 6. Januar 2023. Abrufdatum: 8. März 2023 [https://www.statista.com/statistics/1248519/distribution-of-different-electric-vehicle-batteries-on-the-global-market/ ]

3 Peter Keil et al. 2016. Calendar Aging of Lithium-Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society, Soc.163 A1872. Abrufdatum: 3. April 2023 [https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0411609jes]

4 Madeleine Ecker et al. 2014. Kalender- und Zykluslebensstudie von Li(NiMnCo)O2-basierten 18650-Lithium-Ionen-Batterien, Journal of Power Sources, Band 248, Seiten 839–851, ISSN 0378-7753. Abrufdatum: 3. April 2023 [https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.143]

5 Georg Angenendt, Hendrik Axelsen, Sebastian Zurmühlen, 2018. PV Home Storage System (PV-HOST) Betriebsstrategien und Systemkonfigurationen für Batteriespeicher für Einfamilienhäuser mit Photovoltaikanlagen" : Bericht zum Teilvorhaben der RWTH Aachen : Abschlussbericht (German), ISEA, RWTH Aachen University. Date retrieved: 3 April 2023 [https://www.tib.eu/en/suchen/id/TIBKAT:1016723725/]

6. Q3 US-Markt für netzbasierte Energiespeicherung stellt neuen Rekord auf, Wood Mackenzie. Datum der letzten Überarbeitung: 15. Dezember 2022. Abrufdatum: 08. März 2023 [https://www.woodmac.com/press-releases/q3-us-grid-scale-energy-storage-market-sets-new-record/ ]

7 Sandra Enkhardt. 500.000 Photovoltaik-Heimspeicher mittlerweile in Deutschland installiert, PV Magazine. Date of last revision: 6 April 2022. Date retrieved: 8 March 2023 [https://www.pv-magazine.de/2022/04/06/500-000-photovoltaik-heimspeicher-mittlerweile-in-deutschland-installiert/]

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