Das Aufladen und Entladen von Batterien ist normalerweise eine chemische Reaktion. Lithium-Ionen-Batterien bilden jedoch eine Ausnahme. Experten behaupten, dass sich die Energie während des Lade- und Entladevorgangs zwischen Anode und Kathode bewegt. Wenn dies tatsächlich der Fall wäre, würden Lithium-Ionen-Batterien ewig halten. Die Wahrheit ist jedoch, dass neben der Ionenfalle auch interne Korrosion und andere degenerative Effekte eine Rolle spielen. Doch wie lädt man Lithium-Ionen-Batterien am besten auf, um ihre Lebensdauer zu verlängern?
Das Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien mit Kobaltmischung
Lithium-Ionen-Batterien mit einer Kobalt-, Nickel-, Mangan- und Aluminiumkathode laden normalerweise auf 4,20V pro Zelle. Die Toleranz beträgt +/- 50mV pro Zelle. Einige Nickel-basierte Varianten laden auf 4,10V pro Zelle auf, während Hochkapazitäts-Lithium-Ionen-Batterien auf 4,30V pro Zelle und höher geladen werden können. Auch wenn eine höhere Spannung die Kapazität erhöht, belastet das Überschreiten der Spezifikation die Batterie und beeinträchtigt die Sicherheit. Schutzschaltungen in der Batterie verhindern eine Überschreitung der festgelegten Spannung.
Abbildung 1: Ladezustände von Lithium-Ionen-Batterien
Eine Lithium-Ionen-Batterie ist vollständig aufgeladen, wenn der Strom auf einen bestimmten Wert abfällt. Anstelle einer Erhaltungsladung wenden einige Ladegeräte eine Nachladung an, wenn die Spannung abfällt. Für eine Energiespeicherzelle beträgt die empfohlene Ladegeschwindigkeit zwischen 0,5C und 1C, und die vollständige Ladezeit beträgt etwa 2-3 Stunden. Die Hersteller empfehlen, mit 0,8C oder weniger zu laden, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Die meisten Energiespeicherzellen können jedoch eine höhere Ladestromstärke mit geringer Belastung verkraften.
Einige Lithium-Ionen-Batterien können bei moderater Ladegeschwindigkeit um etwa 5ºC (9ºF) ansteigen. Dies kann auf die Schutzschaltung und / oder den erhöhten Innenwiderstand zurückzuführen sein. Sollte die Temperatur während des Ladens jedoch um mehr als 10ºC (18ºF) ansteigen, sollten Sie das Ladegerät und / oder die Batterie nicht weiter verwenden.
Die Wichtigkeit des richtigen Ladestroms
Ein höherer Ladestrom beschleunigt den Ladezustand der Batterie nur geringfügig. Obwohl die Batterie schneller ihre Spannungsspitze erreicht, dauert die Sättigungsladung entsprechend länger. Bei höherem Strom ist Phase 1 kürzer, aber die Sättigung in Phase 2 dauert länger. Ein hoher Ladestrom wird die Batterie jedoch schnell auf etwa 70 Prozent aufladen.
Es ist nicht notwendig, Lithium-Ionen-Batterien vollständig aufzuladen, wie es bei Bleiakkus der Fall ist, und es ist auch nicht wünschenswert. Tatsächlich ist es besser, die Batterie nicht vollständig aufzuladen, da eine hohe Spannung die Batterie belastet. Die Wahl einer niedrigeren Spannungsgrenze oder das vollständige Entfernen der Sättigungsladung verlängert jedoch die Lebensdauer der Batterie, reduziert jedoch die Laufzeit. Ladegeräte für Verbraucherprodukte streben nach maximaler Kapazität und können nicht angepasst werden. Eine längere Lebensdauer spielt eine untergeordnete Rolle.
Einige kostengünstige Verbraucherladegeräte können die einfachere “Laden-und-Ausführen” -Methode anwenden, die eine Lithium-Ionen-Batterie in einer Stunde oder weniger auflädt, ohne die Sättigungsladung in Phase 2 durchzuführen. “Bereit” erscheint, wenn die Batterie die Spannungsschwelle in Phase 1 erreicht. Der Ladezustand (SoC) beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 85 Prozent, was für viele Benutzer ausreichend sein kann.
Bestimmte industrielle Ladegeräte stellen die Ladespannungsgrenze absichtlich niedriger ein, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Tabelle 2 zeigt die geschätzten Kapazitäten beim Laden auf verschiedene Spannungsgrenzwerte mit und ohne Sättigungsladung. Das Hinzufügen einer vollständigen Sättigung bei der festgelegten Spannung erhöht die Kapazität um etwa 10 Prozent, führt jedoch zu höherer Spannung und erhöhter Belastung.
Tabelle 2: Typische Ladecharakteristik von Lithium-Ionen-Batterien
Die Ladezeit von Lithium-Ionen-Batterien variiert je nach Anwendung. Bei einem langsamen Ladevorgang von 0,5C dauert es etwa 2-3 Stunden, bis die Batterie vollständig aufgeladen ist. Ein schnellerer Ladevorgang mit 1C kann die Ladezeit auf etwa 1-2 Stunden reduzieren, füllt jedoch die Batterie nur zu etwa 70 Prozent auf.
Wie man Lithium-Ionen-Batterien nicht überlädt
Lithium-Ionen-Batterien dürfen nicht überladen werden, da dies zu einer Instabilität der Batterie führen kann. Eine längere Ladung über 4,30V bei einer für 4,20V pro Zelle konzipierten Lithium-Ionen-Batterie führt zur Bildung von metallischem Lithium an der Anode. Das Kathodenmaterial wird zum Oxidationsmittel, verliert seine Stabilität und produziert Kohlendioxid (CO2). Der Druck in der Batterie steigt und wenn die Ladung fortgesetzt wird, öffnet das Sicherheitsventil der Batterie bei etwa 3.450 kPa (500 psi), und die Batterie kann mit Flammen ventiliert werden.
Eine Batterie, die vollständig aufgeladen ist, hat eine niedrigere Temperatur, bei der eine thermische Selbstentzündung eintritt, und wird daher früher ventiliert als eine teilweise aufgeladene Batterie. Alle Lithium-Ionen-Batterien sind bei niedrigerer Ladung sicherer, was auch der Grund ist, warum Lithium-Ionen-Batterien beim Lufttransport nur mit 30 Prozent Ladung zugelassen sind.
Fazit
Das Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien ist einfacher als bei Nickel-basierten Systemen. Der Ladevorgang kann unterbrochen werden, und Lithium-Ionen-Batterien benötigen keine Sättigungsladung wie Bleiakkus. Dies ist ein großer Vorteil für erneuerbare Energiespeicher wie Solar- und Windkraftanlagen, bei denen die Batterie nicht immer vollständig aufgeladen werden kann. Das Fehlen einer Erhaltungsladung vereinfacht auch das Ladegerät. Das Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien ist einfacher als bei Nickel-basierten Systemen. Der Ladevorgang kann unterbrochen werden, und Lithium-Ionen-Batterien benötigen keine Sättigungsladung wie Bleiakkus. Dies ist ein großer Vorteil für erneuerbare Energiespeicher wie Solar- und Windkraftanlagen, bei denen die Batterie nicht immer vollständig aufgeladen werden kann. Das Fehlen einer Erhaltungsladung vereinfacht auch das Ladegerät.
