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Zyklenfestigkeit

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

28.02.2021

Letztes Update

29.07.2021

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  • Zyklenfestigkeit

Zyklenfestigkeit von Batterien einfach erklärt

Inhalt des Wiki-Artikels

Zyklenfestigkeit: Brauchbarkeitsdauer von Batterien

Der Zyklus einer Batterie umfasst eine Entladung und eine Ladung. Die Zyklenfestigkeit gibt an, wie viele Zyklen ein Akku durchlaufen kann, bevor er derart viel an Kapazität verliert, dass er ausgetauscht werden sollte. In diesem Stadium ist das Ende der Brauchbarkeitsdauer der Batterie erreicht. Die Brauchbarkeitsdauer ist im Wesentlichen von der Bauart der Batterie, der Güte der verwendeten Materialien, der Fertigungsqualität, den Anwendungsbedingungen und der Wartung abhängig. Während Bauart, verwendete Materialien und Fertigungsqualität vom Hersteller bestimmt sind, ist der Nutzende für die Anwendungsbedingungen und die Wartung verantwortlich. Die Zyklenfestigkeit kann durch sachgerechte Handhabung erhöht oder durch nicht sachgerechte Handhabung verringert werden. Zyklenfest bedeutet bei Batterien also, dass sie eine lange Brauchbarkeitsdauer aufweisen.1

Lebensdauer von Batterien

Für die Lebensdauer von Batterien sind verschiedene Begriffe definiert. Die Design-Lebensdauer bezieht sich auf den Gebrauch in der Theorie. Werte für die Design-Lebensdauer ergeben sich aus Haltbarkeitstests unter Berücksichtigung der Auslegung und Ausführung der einzelnen Komponenten sowie lebensdauerbegrenzender Parameter. Die Haltbarkeit bezieht sich auf den Gebrauch im Labor. Definierte, teils genormte und teils beschleunigende Bedingungen bilden den Rahmen für die Ermittlung der Werte. Diese Art der Lebensdauer umfasst die Unterbegriffe Haltbarkeit in Zyklen, Haltbarkeit bei Überladung und Haltbarkeit im Entladungsbetrieb. Schließlich gibt es noch die Brauchbarkeitsdauer, die sich auf den Gebrauch in der Praxis bezieht. Bei dieser werden die Werte auf der Grundlage von Felderfahrungen unter optimalen Bedingungen ermittelt. Die Brauchbarkeitsdauer beschreibt den Zeitraum, in dem eine spezifizierte Kapazität oder Leistung genutzt werden kann. Ein Unterbegriff zu dieser Art der Lebensdauer ist die erwartete Brauchbarkeitsdauer. Deren Werte werden mittels Felderfahrungen unter Berücksichtigung von Haltbarkeitstests bestimmt.2

Höhere Zyklenfestigkeit durch sachgemäßen Gebrauch

Wer einige Dinge beachtet, kann die Brauchbarkeitsdauer von Batterien erhöhen. Die Zyklenfestigkeit wird durch verschiedene Betriebsfaktoren verringert. Dazu gehört eine erhöhte Betriebstemperatur. Für einen Bleiakku, wie zum Beispiel eine Autobatterie, beträgt die empfohlene Betriebstemperatur 10 bis 30 °C, optimal sind 20 °C. Liegt die Betriebstemperatur über dem empfohlenen Wert, verringert sich die Brauchbarkeitsdauer, liegt sie darunter, hat dies einen negativen Einfluss auf die Kapazität. Auch die Temperaturdifferenz spielt eine Rolle, sie sollte zwischen der Zelle mit der höchsten und der Zelle mit der niedrigsten Temperatur nicht mehr als fünf Kelvin betragen, damit die Batterie möglichst viele Zyklen durchlaufen kann.

Die Entladungsspannung ist ein weiterer Einflussfaktor, ist sie zu niedrig, verliert die Batterie schnell an Kapazität, ist sie zu hoch, führt dies zu verstärkter Korrosion. Beim Laden sollte ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 30 Hertz fließen. Liegt die Frequenz über diesem Wert, erhöht sich die Batterietemperatur, was eine erhöhte Wasserzersetzung und eine beschleunigte Korrosion zur Folge hat. Aus Wechselströmen mit Frequenzen unter 30 Hertz resultieren vor allem Mangelladung und Zyklenbelastung. Außerdem ist die Art des Betriebs entscheidend. Der Pufferbetrieb geht immer mit einer hohen Zyklenbelastung einher. Bei dieser Betriebsart beschleunigen die Zyklen das Altern der Batterie, während dies beim Bereitschaftsparallelbetrieb nicht der Fall ist. Des Weiteren führen häufige Ladungen und Entladungen dazu, dass ein Akku schneller altert, den gleichen Effekt bringen tiefe Entladungen mit sich.3

Der Batteriezyklus bei Lithium-Ionen-Akkus

E-Autos werden derzeit mit Lithium-Ionen-Akkus angetrieben, Batterien mit anderen Bestandteilen befinden sich in der Erforschung. Darüber hinaus werden zahlreiche mobile Geräte wie Laptops und Smartphones durch einen Lithium-Ionen-Akku mit Energie versorgt. Die Zyklenfestigkeit der Akkus ist nicht nur für die direkte Nutzung, sondern auch für die Taktung von Serviceintervallen und die Lagerung entscheidend. Die Brauchbarkeitsdauer wird zum einen durch die Zyklenalterung und zum anderen durch die kalendarische Alterung bestimmt. Mit Hilfe dieser Faktoren lassen sich die Zyklenlebensdauer und die kalendarische Lebensdauer abschätzen. Die Zyklenlebensdauer gibt an, wie viele Ladungen und Entladungen eine Lithium-Ionen-Batterie bis zu einem gewissen Kapazitätsverlust durchlaufen kann. Hingegen zeigt die kalendarische Lebensdauer an, wie viel Kapazität ein Akku aufgrund von Alterungseffekten verliert. Die Zyklenlebensdauer hat einen größeren Einfluss auf die Zyklenfestigkeit als die kalendarische Lebensdauer.

Die Zyklenalterung resultiert aus dem Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus. Unter anderem treten chemische und mechanische Abnutzungseffekte auf, wie zum Beispiel Dendritenwachstum oder eine thermische Ausdehnung. Beachtet werden muss vor allem die Entladetiefe, denn durch eine tiefe Entladung wird der Akku mehr beansprucht und infolgedessen nimmt die Zahl der möglichen Zyklen ab. Entladungstiefe und Zyklenfestigkeit verlaufen jedoch nicht linear – wird ein Lithium-Ionen-Akku nur halb entladen, können sich die möglichen Zyklen mehr als verdoppeln. Eine Entladungstiefe von 90 bis 100 Prozent sollte tunlichst vermieden werden. Darüber hinaus ist die Zahl der möglichen Zyklen durch die Regulierung der Ladeschlussspannung beeinflussbar. Wird die Ladespannung auf einen Wert unterhalb der nominalen Ladespannung begrenzt, kann sich die Anzahl der Zyklen verdoppeln. Außerdem spielt die Höhe der Ladeströme eine entscheidende Rolle bei der Zyklenfestigkeit von Lithium-Ionen-Akkus. Altern die Zellen des Akkus, setzen chemische Zerfallsprozesse ein. Diese greifen den Elektrolyten, Anoden- und Kathodenmaterialien an. Die kalendarische Alterung wird durch den Ladezustand der Zellen und die Umgebungstemperatur beeinflusst. Lithium-Ionen-Akkus für E-Autos haben eine Brauchbarkeitsdauer von circa acht Jahren, dann sollten sie aus Kapazitätsgründen ausgetauscht werden.4

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