Wie lange halten Lithiumbatterien?

Lithiumbatterie: die "Lebensdauer", die wir zu kennen glaubten

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technik, Lithium-Batterien sind tief in alle Aspekte unseres Lebens integriert, von Mobiltelefonen und Laptops für den täglichen Gebrauch bis hin zu Elektroautos, auf die wir uns beim Reisen verlassen. Es gibt jedoch viele Missverständnisse über die Lebensdauer von Lithiumbatterien, darunter die weit verbreitete Aussage, dass "Lithiumbatterien eine Lebensdauer von 500 Auf- und Entladungen haben". Viele Menschen glauben, dass Lithiumbatterien nur 500 Mal aufgeladen und entladen werden können. Sobald diese Zahl erreicht ist, stirbt die Batterie und muss ersetzt werden. Ausgehend von diesem Verständnis warten manche Benutzer mit dem Aufladen, bis der Akku fast leer ist, um die Nutzungsdauer von Lithiumbatterien zu verlängern.

Aber diese Aussage ist eigentlich falsch. Die so genannten "500 Ladungen und Entladungen" beziehen sich nicht einfach auf die Anzahl der Ladungen, sondern auf einen kompletten Lade- und Entladezyklus. Ein Lade- und Entladezyklus bedeutet, dass die gesamte Energie der Batterie von voll bis leer verbraucht und dann von leer bis voll geladen wird, was nicht mit einer einmaligen Aufladung gleichzusetzen ist. So wird beispielsweise am ersten Tag die Hälfte der Batterieleistung verbraucht und dann voll aufgeladen; am zweiten Tag wird die Hälfte der Leistung verbraucht und wieder voll aufgeladen. Auf diese Weise werden die beiden Ladevorgänge zusammen als ein Lade- und Entladezyklus betrachtet. In der Praxis können daher mehrere Ladevorgänge erforderlich sein, um einen vollständigen Lade- und Entladezyklus abzuschließen. Außerdem ist nach 500 Lade- und Entladezyklen die Lithium-Batterie ist nicht völlig unbrauchbar, aber ihre Kapazität nimmt ab. Im Allgemeinen können hochwertige Batterien auch nach mehreren Ladezyklen noch 80% ihrer ursprünglichen Kapazität beibehalten, und viele lithiumbetriebene Produkte können auch nach zwei oder drei Jahren noch normal verwendet werden.

Offensichtlich war unsere bisherige Vorstellung von der Lebensdauer von Lithiumbatterien zu einfach und einseitig. Dieses Missverständnis wirkt sich nicht nur auf unsere täglichen Gewohnheiten bei der Verwendung von Lithiumbatterie-Geräten aus, sondern führt auch dazu, dass wir von der wahren Leistung von Lithiumbatterien abweichen. Wie sollte also die Lebensdauer von Lithiumbatterien richtig gemessen werden? Welche Faktoren beeinflussen sie? Im Folgenden wollen wir das Geheimnis der Lebensdauer von Lithiumbatterien lüften.

Was ist die "Lebensdauer" von Lithiumbatterien?

Bevor wir uns mit der Lebensdauer von Lithiumbatterien befassen, müssen wir eine wichtige Frage klären: Was ist die "Lebensdauer" von Lithiumbatterien? Sie wird nicht einfach wie das menschliche Leben nach der Zeit gemessen. In der Welt der Lithiumbatterien hat die Lebensdauer eine einzigartige Messdimension.

Zyklusdauer: Berücksichtigung der Anzahl der Lade- und Entladezyklen

Die Zyklenlebensdauer ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Messung der Lebensdauer von Lithiumbatterien. Sie bezieht sich auf die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, denen eine Lithiumbatterie standhalten kann, bevor ihre Kapazität unter einem bestimmten Lade- und Entladesystem auf einen bestimmten Wert sinkt. Einfach ausgedrückt, wird ein kompletter Prozess von der vollständigen Ladung bis zur vollständigen Entladung und dann wieder zur vollständigen Ladung als ein Zyklus gezählt. Nachdem eine Lithiumbatterie mehrere solcher Zyklen durchlaufen hat, nimmt ihre Kapazität allmählich ab. Wenn die Kapazität auf 80% der Anfangskapazität sinkt, wird in der Regel davon ausgegangen, dass sie das Ende ihrer Zykluslebensdauer erreicht hat.

Verschiedene Arten von Lithiumbatterien haben eine unterschiedliche Zyklusdauer. Die übliche ternäre Lithiumbatterie hat beispielsweise eine theoretische Zyklenzahl von etwa 800-1200 Zyklen, während die Zyklenzahl von Lithium-Eisenphosphat-Batterien relativ hoch ist und etwa 2000-2500 Zyklen erreicht. Bei der ternären Lithiumbatterie 18650, die Tesla in einigen seiner Modelle verwendet, sinkt die Batteriekapazität unter Laborbedingungen nach etwa 1000 Zyklen auf 80% der ursprünglichen Kapazität. Offiziellen Angaben zufolge kann die von BYD in einigen Modellen verwendete Lithium-Eisenphosphat-Batterie bei normalem Gebrauch eine Lebensdauer von mehr als 2.000 Zyklen haben, was bedeutet, dass ihre Kapazität unter idealen Bedingungen nach mehreren Lade- und Entladezyklen auf 80% abfällt.

Kalenderleben: Berücksichtigung der zeitlichen Dimension

Neben der Zykluslebensdauer ist auch die kalendarische Lebensdauer ein wichtiger Faktor bei der Messung der Lebensdauer von Lithiumbatterien. Sie bezieht sich auf den Zeitraum vom Produktionsdatum bis zum Ende der Batterielebensdauer, der in der Regel in Jahren gemessen wird und verschiedene Verbindungen wie Lagerung, Alterung, hohe und niedrige Temperaturen, Zirkulation und Simulation der Arbeitsbedingungen umfasst. Selbst wenn die Lithiumbatterie nicht in Betrieb ist und nicht häufig aufgeladen oder entladen wird, gehen die chemischen Substanzen in ihrem Inneren im Laufe der Zeit langsame chemische Reaktionen ein, wodurch die Leistung der Batterie allmählich abnimmt. Dies ist die kalendarische Lebensdauer bei der Arbeit.

Im Allgemeinen beträgt die kalendarische Lebensdauer von Lithiumbatterien, die in Autos verwendet werden, 5-10 Jahre. Nehmen wir ein bestimmtes Elektroauto als Beispiel: Selbst wenn der Besitzer jedes Jahr weniger Kilometer fährt und das Fahrzeug die meiste Zeit geparkt ist, kann die Batteriekapazität nach 6-7 Jahren auf etwa 70% abnehmen. Das ist wie bei der Haltbarkeit von Lebensmitteln. Selbst wenn sie ungeöffnet sind, wird ihre Qualität nach einer gewissen Zeit beeinträchtigt. Viele Automobilhersteller neigen dazu, in ihrer Werbung die zyklische Lebensdauer der Batterie zu betonen, aber die kalendarische Lebensdauer zu verschweigen. Der Grund dafür ist, dass die Bekanntgabe der kalendarischen Lebensdauer einen gewissen Einfluss auf den Verkauf von Fahrzeugen mit neuer Energie haben kann. Aus der Garantiezeit der Batterie können wir jedoch grob auf ihre kalendarische Lebensdauer schließen. Die Garantieverpflichtung von 5 Jahren oder mehr als 100.000 Kilometern, die einige Autofirmen geben, lässt darauf schließen, dass die Batterie innerhalb dieses Zeitraums eine relativ stabile Leistung erbringen kann.

Echte Daten über die Lebensdauer von Lithiumbatterien werden offengelegt

Vergleich der Zyklenzahl verschiedener Typen von Lithiumbatterien

Die Familie der Lithiumbatterien ist riesig, und die verschiedenen Arten von Lithiumbatterien weisen deutliche Unterschiede in der Anzahl der Zyklen auf. Um diesen Unterschied intuitiver darzustellen, verwenden wir eine Tabelle zum Vergleich:

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, schneiden Lithium-Eisen-Titanat-Batterie und Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie in Bezug auf die Anzahl der Zyklen besser ab, wobei die Anzahl der Zyklen der Lithium-Eisen-Titanat-Batterie mehr als 10000 Mal erreichen kann, was ihr in einigen Bereichen mit extrem hohen Anforderungen an die Lebensdauer der Batterie große Vorteile verschafft, z. B. bei der Energiespeicherung in intelligenten Netzen, im Schienenverkehr usw. Die Anzahl der Zyklen von Lithium-Eisenphosphat-Batterien kann ebenfalls 2000 bis 10000 Mal erreicht werden, was in Elektrofahrzeugen, Energiespeicherkraftwerken und anderen Szenarien weit verbreitet ist. Die Anzahl der Zyklen von Lithium-Kobaltoxid-Batterien und Lithium-Manganoxid-Batterien ist relativ gering. Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien haben in der Regel nur 300-500 Zyklen, was ihren Anwendungsbereich in gewissem Maße einschränkt. Derzeit werden sie hauptsächlich in einigen kleinen elektronischen Geräten verwendet, die strenge Anforderungen an das Volumen und das Gewicht der Batterien und relativ geringe Anforderungen an die Zyklusdauer stellen.

Lebensleistung im tatsächlichen Gebrauch

Die theoretische Anzahl der Zyklen ist sicherlich wichtig, aber die Lebensdauer der Lithium-Batterien im tatsächlichen Gebrauch ist das, worüber wir uns mehr Sorgen machen. In der Praxis wird die Lebensdauer von Lithiumbatterien durch eine Kombination von Faktoren beeinflusst und weicht oft von der theoretischen Anzahl von Zyklen ab.

Nimmt man eine bestimmte Marke von Elektrofahrzeugen als Beispiel, so kann die Anzahl der Zyklen der ternären Lithiumbatterie in einer Laborumgebung nach dem Standard-Lade- und Entladetestverfahren etwa 1500 Mal erreichen. In der Praxis jedoch, wenn das Fahrzeug hauptsächlich auf städtischen Straßen gefahren wird, häufig gestartet und gestoppt wird und oft die Schnellladefunktion verwendet wird, sinkt die Batteriekapazität nach etwa 800-1000 Lade- und Entladezyklen auf 80% der ursprünglichen Kapazität. Dies liegt daran, dass sich durch häufiges Anfahren und Anhalten die Entladetiefe der Batterie ständig ändert und die beim Schnellladen entstehende große Hitze die chemische Reaktion im Inneren der Batterie beschleunigt, was zu einer Alterung der Batterie und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer führt.

Im Gegensatz dazu sinkt die Batteriekapazität nach 1200-1300 Lade- und Entladezyklen auf 80%, wenn das Auto hauptsächlich auf der Autobahn fährt, die Fahrbedingungen relativ stabil sind und weniger schnell und mehr langsam geladen wird. Es wird deutlich, dass Faktoren wie Fahrgewohnheiten, Lade- und Entlademethoden und die Umgebungstemperatur in der Praxis einen erheblichen Einfluss auf die tatsächliche Lebensdauer von Lithiumbatterien haben.

Eingehende Analyse: Schlüsselfaktoren, die die Lebensdauer von Lithiumbatterien beeinflussen

Anzahl der Lade- und Entladezyklen

Mit zunehmender Anzahl von Lade- und Entladezyklen nimmt die Kapazität von Lithiumbatterien allmählich ab und der Innenwiderstand steigt allmählich an. Dies ist einer der Hauptfaktoren, die die Lebensdauer von Lithiumbatterien beeinflussen. Unter normalen Lade- und Entladebedingungen nimmt die Kapazität von Lithiumbatterien bei jedem Zyklus um etwa 0,1%-0,2% ab. Wenn die Anzahl der Zyklen ein bestimmtes Niveau erreicht, beschleunigt sich der Kapazitätsabfall, so dass die Batterie nicht mehr in der Lage ist, die normalen Nutzungsanforderungen des Geräts zu erfüllen.

Die Abbildung zeigt deutlich, dass die Batteriekapazität in der ersten Zyklusphase langsam abnimmt und die Kurve relativ flach ist; mit zunehmender Zyklenzahl nimmt die Batteriekapazität schneller ab und die Steigung der Kurve nimmt allmählich zu. Wenn die Anzahl der Zyklen etwa 1.000 erreicht, ist die Batteriekapazität auf etwa 80% der Anfangskapazität gesunken, was bedeutet, dass sich die Batterie dem Ende ihrer Zykluslebensdauer nähert.

Signifikanter Einfluss der Temperatur

Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer von Lithiumbatterien. Unabhängig davon, ob es sich um eine Umgebung mit hohen oder niedrigen Temperaturen handelt, wirkt sich dies negativ auf die Leistung von Lithiumbatterien aus. Wenn Lithiumbatterien in einer Umgebung mit hohen Temperaturen (z. B. 45 °C und darüber) verwendet werden, wird ihre Kapazitätsabnahme erheblich beschleunigt und die Lebensdauer stark verkürzt. Bei hohen Temperaturen beschleunigt sich die chemische Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb der Batterie, was zur Auflösung des positiven Elektrodenmaterials, zur Zersetzung des Elektrolyten und zur Instabilität der Grenzschicht (SEI) führt und damit die Alterung der Batterie beschleunigt. Studien haben gezeigt, dass die Lebensdauer von Lithiumbatterien bei 45 °C um 30% - 50% kürzer sein kann als bei Raumtemperatur (25 °C).

In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen (z. B. 0 °C und darunter) wird die Lade- und Entladeeffizienz von Lithiumbatterien erheblich verringert, der Innenwiderstand der Batterie steigt und die verfügbare Kapazität sinkt. Niedrige Temperaturen verlangsamen die Wanderung der Lithium-Ionen im Inneren der Batterie und erschweren den normalen Ablauf der chemischen Reaktion der Batterie, wodurch die Leistung der Batterie beeinträchtigt wird. Wenn die Temperatur auf -10°C sinkt, kann die verfügbare Kapazität der Lithiumbatterie auf etwa 70% bei Raumtemperatur sinken, was bedeutet, dass die Lebensdauer von Lithiumbatteriegeräten in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen stark reduziert wird.

Lade- und Entladerate

Schnelles Laden und Entladen wirkt sich ebenfalls negativ auf die Lebensdauer von Lithiumbatterien aus. Im Allgemeinen wird die Lade- und Entladerate von Lithiumbatterien in C angegeben, und 1C bedeutet, dass die Batterie innerhalb einer Stunde vollständig geladen oder entladen wird. Wenn die Lade- und Entladerate zu schnell ist, z. B. wenn ein Schnelllademodus mit mehr als 1 C verwendet wird, wird im Inneren der Batterie eine große Menge an Wärme erzeugt, was die Alterung der Batterie beschleunigt. Wenn eine Lithiumbatterie mit einer Rate von 2C geladen und entladen wird, verkürzt sich ihre Lebensdauer um 20% - 30% im Vergleich zum Laden und Entladen mit einer Rate von 0,5C. Dies liegt daran, dass schnelles Laden und Entladen das Polarisierungsphänomen innerhalb der Batterie verstärkt, was zu einem Anstieg des Innenwiderstands der Batterie führt und damit die Leistung und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt.

Andere Faktoren

Neben den oben genannten Hauptfaktoren wirken sich auch Faktoren wie die Qualität der Batterie selbst, Ladewartungsmethoden und Druckschwankungen auf die Lebensdauer von Lithiumbatterien aus. Hochwertige Lithiumbatterien sind in Bezug auf die Materialreinheit und den Herstellungsprozess sicherer, und ihre Lebensdauer ist oft länger als die von Batterien schlechter Qualität. Richtige Lade- und Wartungsmethoden, wie z. B. die Vermeidung von Überladung und Überentladung sowie regelmäßiges Tiefladen und Entladen, können ebenfalls dazu beitragen, die Lebensdauer von Lithiumbatterien zu verlängern. Darüber hinaus können in einigen speziellen Anwendungsszenarien, z. B. bei Stößen während der Fahrt von Elektrofahrzeugen und bei Kollisionen mit elektronischen Geräten, Druckschwingungen die interne Struktur der Batterie beschädigen und damit die Leistung und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen.

Wie man die Lebensdauer von Lithiumbatterien verlängert: ein praktischer Leitfaden auf der Grundlage von Daten

Wenn wir die Schlüsselfaktoren kennen, die sich auf die Lebensdauer von Lithiumbatterien auswirken, können wir gezielte Maßnahmen ergreifen, um ihre Lebensdauer zu verlängern und dafür zu sorgen, dass Lithiumbatterien uns besser dienen.

Kontrolle der Anzahl der Zyklen

Versuchen Sie, unnötige Lade- und Entladezyklen zu vermeiden und den Akku vor dem Aufladen nicht häufig zu entladen. Sie können laden, wenn noch etwa 20% - 30% vorhanden sind, um eine Tiefentladung zu vermeiden. Smartphone-Benutzer sollten z. B. mit dem Laden beginnen, wenn die Energieanzeige 25% anzeigt, anstatt zu warten, bis die Energie erschöpft ist und sich vor dem Laden automatisch auszuschalten. Dies kann die Anzahl der Lade- und Entladezyklen effektiv reduzieren und so die Lebensdauer des Akkus verlängern. Gleichzeitig wird ein Überladen vermieden. Wenn der Akku voll ist, sollte das Ladegerät rechtzeitig vom Stromnetz getrennt werden, um zu verhindern, dass der Akku durch langfristige Überladung beschädigt wird. Wenn Sie die Batterieladung über einen längeren Zeitraum im Bereich von 40% - 80% halten, können Sie die Anzahl der Batteriezyklen erheblich reduzieren, wodurch sich die Lebensdauer der Batterie verlängert und die Batterie auch nach vielen Jahren noch eine gute Leistung erbringen kann.

Aufrechterhaltung einer angemessenen Temperatur

Achten Sie bei der Verwendung und Lagerung von Lithium-Batterie-Geräten auf eine angemessene Temperatur und vermeiden Sie eine langfristige Verwendung oder Lagerung in Umgebungen mit hohen oder niedrigen Temperaturen. Wenn Sie das Gerät in einer Umgebung mit hohen Temperaturen verwenden müssen, wie z. B. bei der Verwendung eines Elektroautos im Freien im heißen Sommer, sollten Sie versuchen, die Nutzungszeit zu reduzieren oder Kühlmaßnahmen zu ergreifen, wie z. B. das Fahrzeug an einem kühlen Ort zu parken und direkte Sonneneinstrahlung zu vermeiden. In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen, z. B. in einem kalten Winter, sollten Sie versuchen, die Lithiumbatterie in einer warmen Umgebung zu verwenden, oder die Batterie vor der Verwendung vorwärmen. Die Kontrolle der Betriebstemperatur von Lithiumbatterien auf etwa 25°C kann die Lebensdauer der Batterie um 30% - 50% verlängern.

Kontrolle der Lade- und Entladerate

Versuchen Sie, die Schnelllade- und Entladefunktion zu vermeiden, wählen Sie ein geeignetes Ladegerät und eine geeignete Lademethode, und laden Sie mit einer niedrigeren Lade- und Entladerate. Bei Elektrofahrzeugen sollten Sie, wenn es sich nicht um einen Notfall handelt, eine langsame Lademethode wählen, z. B. eine Heimladestation für das Aufladen in der Nacht. Wenn die Lade- und Entladerate von 2C auf 0,5C reduziert wird, kann die Lebensdauer von Lithiumbatterien um 20% - 30% verlängert werden. Achten Sie außerdem während des Ladevorgangs auf die Temperaturveränderungen der Batterie. Wenn die Temperatur zu hoch ist, sollte der Ladevorgang unterbrochen werden, und der Ladevorgang sollte fortgesetzt werden, nachdem die Temperatur gesunken ist.

Regelmäßige Wartung

Für einige große Lithiumbatterieanlagen, wie Elektrofahrzeuge und Energiespeicherkraftwerke, ist eine regelmäßige Wartung sehr wichtig. Sie können das Erscheinungsbild der Batterie regelmäßig überprüfen, um festzustellen, ob abnormale Bedingungen wie Ausbeulungen und Auslaufen vorliegen; verwenden Sie professionelle Prüfgeräte, um die Batteriekapazität, den Innenwiderstand und andere Parameter zu ermitteln, um Batterieprobleme sofort zu entdecken. Gleichzeitig sollte auch das Batteriemanagementsystem (BMS) regelmäßig überprüft und aktualisiert werden, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert und die Batterie wirksam schützt. In der Bedienungsanleitung einer bestimmten Marke von Elektrofahrzeugen wird beispielsweise empfohlen, die Batterie alle 10.000 bis 20.000 Kilometer vollständig zu überprüfen und zu warten, damit potenzielle Batterieprobleme rechtzeitig erkannt und gelöst werden können und die Lebensdauer der Batterie verlängert wird.