In dem Maße, wie sich die Welt auf saubere Energie und nachhaltige Quellen umstellt, werden Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) immer beliebter. Diese Batterien mit ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer haben die Batterieindustrie revolutioniert. Eine Frage, die sich viele Nutzer stellen, lautet jedoch: „Wie lange halten Lithium-Ionen-Batterien?“ In diesem Artikel gehen wir der Antwort auf diese Frage auf den Grund und zeigen, wie LiFePO4-Batterien, ein fortschrittlicher Typ von Lithium-Ionen-Batterien, im Hinblick auf ihre Lebensdauer abschneiden.

Teil 1: Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4), sind wiederaufladbare Batterien, die Lithium-Ionen als Hauptbestandteil ihres Elektrolyts verwenden. LiFePO4-Batterien bieten gegenüber anderen Batterietypen mehrere Vorteile, darunter eine längere Lebensdauer, höhere Effizienz und Energiedichte, geringere Wartungsanforderungen, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit. Diese Eigenschaften machen sie ideal für netzunabhängige Stromversorgungssysteme, Hochleistungsanwendungen und Mobilitätsanwendungen.

Als Startbatterie werden Li-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihres geringen Gewichts häufig in Fahrzeugen eingesetzt. Sie sind für diese Anwendung gut geeignet, da sie einen kurzen Impuls mit hohem Strom liefern können, um den Motor zu starten. Li-Ionen-Batterien, die als Startbatterien verwendet werden, haben in der Regel eine geringere Kapazität und sollten nicht zu tief entladen werden, um Schäden an der Batterie zu vermeiden.

Dagegen eignen sich LiFePO4-Batterien hervorragend als Tiefentladungsbatterien. Sie sind in der Lage, häufige Tiefentladungen zu verkraften, was sie ideal für die Speicherung erneuerbarer Energien und andere Deep-Cycle-Anwendungen macht. Sie haben eine längere Zykluslebensdauer als Li-Ionen-Batterien und können über längere Zeiträume hohe Leistungen erbringen. Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen diesen beiden Batterietypen unter Lifepo4 vs. Lithium-Ionen-Batterien: Welche Batterie sollten Sie wählen?

Teil 2: Wie lange halten Lithium-Ionen-Batterien?

Ein Standard-Li-Ionen-Akku hält durchschnittlich 2-3 Jahre, je nach Nutzung. Diese Lebensdauer kann sich jedoch auf bis zu fünf Jahre verlängern, wenn der Akku gut gewartet und gemäß den Anweisungen des Herstellers verwendet wird. Li-Ionen-Batterien sind auch temperaturabhängig, und hohe Temperaturen können ihre Lebensdauer erheblich verkürzen. Es ist wichtig, dass Sie Ihren Lithium-Ionen-Akku an einem trockenen und kühlen Ort lagern, um Hitzeeinwirkung zu vermeiden und seine Lebensdauer zu verlängern.

LiFePO4-Batterien sind ein fortschrittlicherer und nachhaltigerer Typ von Lithium-Ionen-Batterien, der in der Batterieindustrie immer beliebter wird. Diese Batterien haben eine längere Lebensdauer als herkömmliche Li-Ionen-Batterien, nämlich bis zu 10 Jahre oder mehr. LiFePO4-Batterien sind außerdem äußerst stabil und sicher und stellen eine zuverlässigere und nachhaltigere Lösung für netzunabhängige Stromversorgungs- und Mobilitätsanwendungen dar.

Ein wesentlicher Vorteil von LiFePO4-Batterien ist ihre Fähigkeit, mehr Lade- und Entladezyklen zu bewältigen. Während Standard-Li-Ionen-Batterien bis zu 500-1000 Zyklen verkraften, können LiFePO4-Batterien bis zu 2000 Zyklen verkraften, was sie langfristig zu einer haltbareren und kostengünstigeren Lösung macht. Die Lebensdauer der LiFePO4-Batterie von Litime kann bis zu 4000-15000 Zyklen betragen, was eine Nutzungsdauer von mehr als 10 Jahren ermöglicht, und sie ist die perfekte Alternative zur Blei-Säure-Batterie. Außerdem sind LiFePO4-Batterien viel sicherer als herkömmliche Li-Ionen-Batterien, da sie aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung weniger anfällig für Überhitzung oder Explosionen sind.

LiTime bietet hochwertige LiFePO4-Batterien an, die für eine längere Lebensdauer, höhere Effizienz und Nachhaltigkeit ausgelegt sind. Wir bieten eine Reihe von Batteriegrößen und -kapazitäten an, die für verschiedene netzunabhängige Strom- und Mobilitätsanwendungen geeignet sind. LiTime ist stolz auf die Qualität und Langlebigkeit seiner Batterien, die gründlich getestet werden, um die Kundenzufriedenheit sicherzustellen.

Teil 3: Faktoren, die die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen

Laut der Studie: A STUDY OF THE FACTORS THAT AFFECT LITHIUM ION BATTERY DEGRADATION sind dies die Faktoren, die die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen können.

3.1 Während der Lagerung

1) Temperatur

Die Hauptursache für den Kapazitätsverlust von Batterien während der Lagerung ist die Temperatur, wobei höhere Temperaturen zu einer thermischen Zersetzung der Elektroden und des Elektrolyten führen.

Durch die Zersetzung des Elektrolyten wird die Schichtdicke der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) auf der Anode erhöht, wodurch Lithiumionen verbraucht werden, die IR der Zelle steigt und die Batteriekapazität sinkt. Bei der Zersetzung entstehen auch Gase, die den Innendruck erhöhen und ein Sicherheitsrisiko darstellen. Wie aus Tabelle 3.1 hervorgeht, verlieren Lithium-Ionen-Batterien, die bei identischem SOC (40 %) gelagert werden, im Laufe eines Jahres bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Prozentsätze ihrer Kapazität.

Der Grad der Degradation nimmt mit höheren Temperaturen zu. Außerdem beschleunigen extreme Temperaturen den Kapazitätsverlust erheblich. Ein Temperaturanstieg von 0°C auf 25°C führt nur zu einem Anstieg des Kapazitätsverlustes um 2 %, während ein Anstieg um 20°C von 40°C auf 60°C einen Kapazitätsverlust von 10 % bewirkt.

Temperaturen von mehr als 30 °C gelten für Lithium-Ionen-Batterien als belastend und können zu einem erheblichen Verlust der kalendarischen Lebensdauer führen. Um die Lebensdauer der Batterien zu verlängern, ist es ratsam, Lithium-Ionen-Batterien bei Temperaturen zwischen 5°C und 20°C zu lagern.

2) Ladezustand (State of Charge, SOC)

Bei Lithium-Ionen-Batterien steigt die Leerlaufspannung (OCV) mit zunehmendem Ladezustand (SOC), wie in Abbildung 3.2 dargestellt. Bei der Lagerung führt ein höherer SOC der Batterie zu einer höheren OCV. Eine hohe OCV kann jedoch zum Wachstum der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) führen und die Oxidation des Elektrolyten in Li-Ionen-Batterien auslösen, was zu einem Kapazitätsverlust und einem erhöhten Innenwiderstand (IR) führt.

Das Bild zeigt die unterschiedlichen Degradationsraten von Li-Ionen-Batterien bei verschiedenen SOC-Werten über einen Zeitraum von zehn Jahren der Lagerung. Die verbleibende Kapazität von Li-Ionen-Batterien nimmt mit zunehmendem SOC-Wert schneller ab.

3.2 Während des Radfahrens

1）Temperatur

Eine höhere Temperatur während des Batteriebetriebs kann zwar vorübergehend die Batterieleistung verbessern, doch verkürzt ein längerer Zyklus bei hohen Temperaturen die Lebensdauer der Batterie. Bei einer Batterie, die bei 30 °C betrieben wird, verkürzt sich die Lebensdauer um 20 %, während die Batterie bei 45 °C nur noch halb so lange hält wie bei 20 °C.

Die Hersteller geben die Nennbetriebstemperatur von Batterien mit 27 °C an, um die Laufzeit der Batterien zu verlängern. Im Gegensatz dazu erhöhen extrem niedrige Temperaturen den Innenwiderstand der Batterie und verringern die Entladekapazität. Eine Batterie, die bei 27 °C eine Kapazität von 100 % bietet, hat bei -18 °C nur noch eine Kapazität von 50 %.

Die Entladekapazität von Lithium-Polymer-Zellen, die bei verschiedenen Temperaturen entladen werden, zeigt eine Schwankung, bei der die Kapazität der Batterien bei niedrigen Temperaturen (0°C, -10°C, -20°C) geringer ist als bei höheren Temperaturen (25°C, 40°C, 60°C). Darüber hinaus führt das Laden von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen (unter 15°C) zu Lithium-Plating aufgrund der verlangsamten Einlagerung von Lithium-Ionen, was die Degradation von Lithium-Ionen-Batterien beschleunigt, indem der Innenwiderstand der Batterie erhöht wird und die Entladekapazität der Batterie weiter sinkt.

Um die Lebensdauer und Leistung von Li-Ionen-Akkus zu maximieren, wird empfohlen, sie bei moderaten Temperaturen zu betreiben. Eine Temperatur von 20 °C oder etwas darunter ist für Li-Ionen-Batterien optimal, um ihre maximale Lebensdauer zu erreichen. Die Hersteller empfehlen jedoch eine etwas höhere Temperatur von 27 °C für Lithium-Ionen-Batterien, wenn eine maximale Akkulaufzeit erforderlich ist.

2）Tiefe des Abflusses

Die Tiefentladung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien. Tiefentladungen verursachen Druck in den Li-Ionen-Zellen und beschädigen die negativen Elektroden, was den Kapazitätsverlust und mögliche Zellschäden beschleunigt. Wie in Abbildung dargestellt, ist die Lebensdauer der Batterie umso kürzer, je höher der Zyklus-DOD ist.

Entladetiefen von über 50 % werden als Tiefentladungen eingestuft. Wenn die Ladung eines Lithium-Ionen-Akkus von 4,2 V auf 3,0 V abfällt, werden etwa 95 % seiner Energie verbraucht, und eine kontinuierliche Entladung führt zu einer möglichst kurzen Lebensdauer des Akkus. Um einen Kapazitätsverlust zu vermeiden, sollte eine vollständige Entladung während des Zyklus einer Li-Ionen-Batterie vermieden werden. Es wird empfohlen, Li-Ionen-Batterien teilweise zu entladen und zu laden, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Die Hersteller verwenden in der Regel die 80%-DOD-Formel, um eine Batterie zu bewerten, was bedeutet, dass nur 80% der zugeführten Energie während der Nutzung der Batterie genutzt werden, während die verbleibenden 20% für eine längere Lebensdauer der Batterie reserviert sind. Eine Verringerung des DOD-Wertes kann die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verlängern, ein zu niedriger DOD-Wert kann jedoch zu einer unzureichenden Akkulaufzeit und der Unfähigkeit, bestimmte Aufgaben zu erledigen, führen. Es wird empfohlen, bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien einen DOD-Wert von etwa 50 % einzuhalten, um eine maximale Lebensdauer und eine optimale Betriebszeit der Batterie zu erreichen.

3）Ladespannung:

Li-Ionen-Batterien können mit einer hohen Ladespannung eine hohe Kapazität und eine lange Laufzeit erreichen. Es wird jedoch nicht empfohlen, Li-Ionen-Batterien vollständig aufzuladen, da dies zu einem Lithium-Plating führen kann, was einen Kapazitätsverlust zur Folge hat und die Batterie möglicherweise beschädigt, was wiederum Brände oder Explosionen verursachen kann.

Abbildung oben zeigt den Kapazitätsabbau bei hohen Ladespannungen (> 4,2 V/Zelle), wobei höhere Spannungen zu schnellerem Kapazitätsverlust und kürzerer Lebensdauer führen. Die Ladespannung von 4,2 V ist das empfohlene Spannungsniveau für optimale Kapazität gemäß den Sicherheitsstandards für Li-Ionen-Batterien. Eine Verringerung der Ladespannung um 70 mV verringert die Gesamtkapazität um etwa 10 %.

Tabelle unter zeigt auch, dass die Zyklenlebensdauer bei einer Ladespannung von 3,90 V am längsten ist (2400-4000) und sich mit jeder Erhöhung der Ladespannung um 0,10 V im Bereich von 3,90 V-4,30 V halbiert.

Li-Ionen-Akkus sollten mit einer Spannung von weniger als 4,10 V geladen werden, um eine signifikante Verschlechterung der Batterie zu vermeiden. Eine niedrigere Ladespannung verlängert zwar die Lebensdauer des Akkus, bietet dem Nutzer aber eine kürzere Laufzeit. Außerdem sollte eine Entladung unter 2,5 V/Zelle vermieden werden, und die optimale Ladespannung liegt bei 3,92 V, um die längste Lebensdauer zu erreichen. Aus diesem Grund empfiehlt LiTime nicht, LiFePO4-Akkus mit einem normalen Blei-Säure-Ladegerät zu laden, da die Spannung nicht hoch genug zum Laden ist. Nachfolgend finden Sie das Format der empfohlenen Ladespannung für verschiedene Deep-Cycle-Batteriesysteme.

Elektronische Geräte wie Laptops und Handys haben eine hohe Spannungsschwelle, um eine optimale Akkulaufzeit zu erreichen. Bei großen Energiespeichersystemen für Satelliten oder Elektrofahrzeuge wird die Spannungsschwelle jedoch niedriger angesetzt, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Unabhängig von der Anwendung kann das Überladen von Li-Ionen-Batterien die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen und Brände oder Explosionen verursachen, weshalb Vorsicht geboten ist.

4）Ladestrom/ C-Rate:

Bei Lithium-Ionen-Batterien treten bei hohen C-Raten mehrere negative Auswirkungen auf, wie z. B. ein steigender Innenwiderstand, ein Verlust an verfügbarer Energie, Sicherheitsbedenken und ein irreversibler Kapazitätsverlust.

Eine der Hauptfolgen von hohen C-Raten ist die Lithiumplattierung. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem hohen Strom geladen wird, bewegen sich die Lithium-Ionen schnell, was zu einer Anhäufung von Lithium-Ionen auf der Anodenoberfläche führt und metallisches Lithium bildet. Dieser Prozess wird beschleunigt, wenn Batterien bei niedrigen Temperaturen und hohem Ladezustand (SOC) schnell geladen werden.

Diese Lithiumschicht kann sich unter dem Einfluss der Schwerkraft in ein dendritisches Format verwandeln, was zu einer erhöhten Selbstentladung der Batterie führt. In extremen Fällen kann dies zu einem Kurzschluss der Batterie und potenziellen Bränden führen. Darüber hinaus verursachen die hohen Lade- und Entladeströme auch mehr Energieverluste, da der Innenwiderstand der Batterie die Energie in Wärme umwandelt. Wenn die C-Rate den empfohlenen Wert der Batterie überschreitet, kann die erhöhte Temperatur im Inneren der Batterie Stress verursachen, die Batterie beschädigen und den Kapazitätsverlust beschleunigen.

5）Zyklusfrequenz

Häufige Zyklen von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere wenn sie viermal oder öfter pro Tag benutzt werden, können zu mechanischer Belastung führen und das Wachstum der Festelektrolyt-Zwischenschicht (SEI) verstärken.

Während des Zyklus verlieren Li-Ionen-Batterien sowohl positive als auch negative Li-Reaktionsstellen in den Elektroden, wodurch ihre Kapazität sinkt. Der Aufbau der SEI-Schicht während des Zyklus erhöht den Innenwiderstand der Batterie und verringert die elektronische Leitfähigkeit und die Ladefähigkeit.

Die Verdickung der SEI-Schicht, die Abnahme der Li-Zentren und andere chemische Veränderungen in Li-Ionen-Batterien führen zu Kapazitätsverlusten und schließlich zum Ausfall der Batterie. Obwohl es keine veröffentlichten Forschungsarbeiten gibt, die sich direkt mit diesem Thema befassen, wird angenommen, dass eine hohe Zyklenhäufigkeit die Degradation der Batterie aufgrund der hohen Temperaturen, die durch den häufigen Gebrauch entstehen, beschleunigt.

Wenn Li-Ionen-Batterien ständig zyklisch betrieben werden, ohne dass sie ausreichend Zeit zum Abkühlen haben, kann dies zu chemischem Stress führen, der die Zersetzung der Elektrolyte und Elektroden zur Folge hat.

Teil 4 Methoden zur Verlängerung der Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien

• Bewahren Sie den Akku bei einer moderaten Temperatur auf: Hohe Temperaturen können die Lebensdauer des Akkus verkürzen. Es wird daher empfohlen, Lithium-Ionen-Akkus in einem moderaten Temperaturbereich von 5°C bis 20°C zu lagern oder zu verwenden.
• Teilweise Entladung und Aufladung: Wenn Sie Lithium-Ionen-Akkus nicht vollständig, sondern nur teilweise entladen und aufladen, kann sich ihre Lebensdauer verlängern. Die Vermeidung von Tiefentladungen über 50 % DOD kann ebenfalls zur Verlängerung der Batterielebensdauer beitragen.
• Behalten Sie moderate SOC-Werte bei: Extreme SOC-Werte können zu Kapazitätsverlusten führen und die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Wenn Sie Lithium-Ionen-Batterien auf einem mittleren SOC-Level halten, können Sie den Batterieverschleiß minimieren und die Lebensdauer der Batterie verlängern.
• Vermeiden Sie Hitzeeinwirkung: Hohe Temperaturen während der Nutzung oder Lagerung von Batterien können die Dicke der SEI erhöhen und die Oxidation des Elektrolyten auslösen, was zu Kapazitätsverlusten und einer verkürzten Lebensdauer der Batterien führt.
• Lagern Sie Batterien richtig, wenn sie nicht in Gebrauch sind: Lagern Sie Lithium-Ionen-Batterien bei Nichtgebrauch bei etwa 50 % SOC und geschützt vor extremen Temperaturen und Feuchtigkeit.
• Vermeiden Sie schnelles Laden und Entladen: Schnelles Laden oder Entladen kann zu übermäßiger Hitzeentwicklung führen, die im Laufe der Zeit die internen Komponenten des Akkus beschädigen und seine Lebensdauer verkürzen kann.
• Verwenden Sie OEM-Ladegeräte (Original Equipment Manufacturer): Die Verwendung von OEM-Ladegeräten, die speziell für Li-Ionen-Akkus entwickelt wurden, stellt sicher, dass diese mit der richtigen Spannung und Stromstärke geladen werden, um Schäden zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu verlängern. LiTime bietet geeignete LiFePO4-Ladegeräte zum Laden von LiFePO4-Lithiumbatterien.

Fazit

Dieser Artikel beschreibt im Detail die Konzepte im Zusammenhang mit Lithium-Batterien, Faktoren, die Lithium-Batterien beeinflussen, und wie man die Lebensdauer von Lithium-Batterien zu verlängern, und wir hoffen, dass es Ihnen helfen, Lithium-Batterien zu verstehen. Wenn Sie die richtige Lithium-Batterie finden möchten, können Sie die offizielle LiTime-Website besuchen, um sich über die entsprechenden Produkte und weiteres Wissen zu informieren.