Ratgeber: Richtiger Umgang mit der Lithium-Ionen-Batterie

Veröffentlicht am: 05.05.2020

Lithium-Ionen-Batterien sind heute der Stand der Technik bei einer Vielzahl von elektronischen Applikationen des alltäglichen Lebens. Ohne größere Mühe besteht die Möglichkeit hier schnell eine lange Liste von batterieelektrischen Produkten aufzuzählen, mit vielleicht den prominentesten Anwendungen im Handy und im e-Auto.

Reflektiert man den Umgang mit dem eigenen Handy, so ist man all zu oft dazu verleitet dieses bis zum letzten Prozent zu entladen und dann über Nacht am Strom zu lassen, um morgens 100% Ladeleistung zu haben. Für kleine, aber auch große Lithium-Ionen-Batterien gilt, dass der Betrieb der batterieelektrischen Anwendungen in Extrembereichen, entladen bis 0% und Laden bis 100% für die verbaute Batterie suboptimal ist.

Um zu verstehen warum eine Batterie besser in einem Bereich von 20% bis 80% Ladeleistungen geladen und entladen werden sollte, offenbart ein Blick in die Zellchemie der Lithium-Ionen-Batterie Aufklärung. Das grundlegende Funktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie basiert auf der Bewegung von Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten zwischen den Batteriehalbzellen der Anode und Kathode, welche wiederum getrennt voneinander durch einen dünnschichtigen Separator sind. Für den Betrieb der Batterie sind zwei Zustände interessant, der geladene und der entladene Zustand der Batterie.

Im ersten Zustand soll die Batterie geladen werden, um somit elektrische Verbraucher zu versorgen. Beim Laden wird durch die Anlegung einer äußern Spannungsquelle ein Potentialunterschied zwischen den Halbzellen aufgebaut, der dafür sorgt, dass Lithium an der Kathode aus einem Kristallgefüge im Verbund mit dem Strukturelement Kobalt, oft auch Mangan und Nickel sowie Sauerstoff, gelöst wird. Mit der Abgabe eines Elektrons wandert das nun als Ion vorliegende Lithium in den wasserfreien Elektrolyten, der bei Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem Lithiumsalz z.B. LiPF₆ mit zusätzlichen Additiven zur Verbesserung der Leitfähigkeit besteht. Mit dem Durchtritt durch die Separatorschicht erreicht das Ion die Anodenseite der Batterie und lagert sich innerhalb einer Graphitschicht mittels einer Interkalationsverbindungen ein. Beim Laden wird dieser Prozess zahlreich wiederholt. Ist die Batterie entladen, so haben die Lithium-Ionen zahlreiche freie Plätze, in welchen sie sich innerhalb des Graphitgefüges einlagern können. Mit Anstieg des Ladestandes sind nun immer weniger Stellen verfügbar, in denen sich die Lithium-Ionen im Graphit einlagern können. Das führt dazu, dass insbesondere ab einem Wert von 80% Ladestand die Batteriezelle unter erhöhter Belastung steht, um die restlichen Ionen noch in der Anode einlagern zu können.

Eben gleiches gilt beim Entladen der Batterie. Hier wandert das Lithium-Ion auf beschriebenen Weg zurück und erzeugt bei diesem Prozess das Leistungspotential welches z.B. den e-Motor im Fahrzeug antreibt. Auch hier entsteht für die Batterie eine übermäßige Belastung, wenn es zu tiefen Entladungszuständen kommt. Obwohl die irreversible die Zelle zerstörende Tiefenentladung durch moderne Kontrolleinrichtungen umgangen wird, indem der Verbrauch von der Batterie getrennt, dass Gerät ausgeschaltet wird. Reduzieren auch regelmäßige Entladungen der Zelle bis zur 0% Grenze die längerfristige Batterieleistungsfähigkeit.

Bei all dem bleibt zu ergänzen, dass moderne Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in nahezu jedem heutigen IT-Gerät verbaut sind, nicht wie frühere Nickel-Cadmium-Batterien über eine Memory-Effekt verfügen. Das bedeutet, dass Teilladungen möglich ohne das die Batterie an Gesamtkapazität verliert. Am Ende bedarf es aber auch einer Reflektion in Bezug auf die Ladezyklen der Batterie. Je öfter Batterien geladen und entladen werden, desto schneller wird die maximale Zyklenbeständigkeit der Batterie erreicht.

Möchte man seine Lithium-Ionen-Batterie also in einem idealen Zustand betreiben, so bietet sich der Betrieb im Bereich von 20% – 80% als Trade-off zwischen Ladezyklen und chemischer Beanspruchung der Batterie an. Insbesondere beim e-Auto gilt zudem, dass es schonender ist, die Batterie langsam mit niedriger Ladeleistung zu laden, als dies über regelmäßige Fastcharging-Prozesse zu erledigen, welche die Batterie sehr beanspruchen.

Quellen:

http://www1.ict.fraunhofer.de/deutsch/scope/ae/ion.html

https://www.volkswagen.de/de/e-mobilitaet-und-id/id_magazin/e-mobilitaet/elektroauto_richtig_laden.html