Beim Schnellladen mit Gleichstrom hoher Leistung kann der Akku in einer halben Stunde auf 80 % geladen werden. Die Ladespannung beim Schnellladen ist in der Regel höher als die Batteriespannung. Welche Risiken birgt das Schnellladen von Lithium-Ionen-Akkus hinsichtlich technischer Probleme?
Welche Risiken bestehen beim Schnellladen von Lithiumbatterien?
Die drei grundlegenden Methoden zum Schnellladen sind: die Spannung konstant halten und den Strom erhöhen; den Strom konstant halten und die Spannung erhöhen; und Strom und Spannung gleichzeitig erhöhen. Um jedoch wirklich schnell zu laden, reicht es nicht aus, nur Strom und Spannung zu erhöhen. Die Schnellladetechnologie erfordert ein komplettes System, bestehend aus Schnellladeadapter und intelligentem Energiemanagementsystem.
Langfristiges Schnellladen beeinträchtigt die Lebensdauer von Lithiumbatterien. Das Schnellladen von Lithiumbatterien geht zulasten der Zyklenlebensdauer der Batterie, da die Batterie ein Gerät ist, das durch elektrochemische Reaktionen Strom erzeugt. Das Laden ist das Auftreten einer umgekehrten chemischen Reaktion, und beim Schnellladen wird der Batterie ein kurzer, hoher Strom zugeführt. Die häufige Verwendung des Schnelllademodus verringert die Kapazität der Batterie und reduziert die Anzahl der Lade- und Entladezyklen.
Das Schnellladen von Lithiumbatterien hat drei Auswirkungen: den thermischen Effekt, die Lithiumausfällung und den mechanischen Effekt.
1. Häufiges Schnellladen beschleunigt die Polarisierung der Batteriezelle.
Bei hohem Dauerladestrom steigt die Ionenkonzentration an der Elektrode, die Polarisation nimmt zu, und die Batteriespannung verhält sich nicht mehr direkt und linear zur geladenen Strommenge. Gleichzeitig führt das Laden mit hohem Strom zu einem Anstieg des Innenwiderstands und damit zu verstärkter Joulescher Erwärmung. Dies wird durch Nebeneffekte wie Elektrolytzersetzung, Gasbildung und weitere Probleme verursacht, wodurch das Risiko sprunghaft ansteigt, die Batteriesicherheit beeinträchtigt und die Lebensdauer nicht geladener Batterien erheblich verkürzt wird.
2. Häufiges Schnellladen kann zur Kristallisation des Batteriekerns führen.
Schnellladen von Lithiumbatterien bedeutet, dass Lithiumionen schnell entladen werden und zur Anode wandern. Dies erfordert ein Anodenmaterial mit hoher Lithium-Einlagerungskapazität, da das Potenzial für die Lithiumeinlagerung und das Lithium-Ausfällungspotenzial nahezu identisch sind. Bei Schnellladung oder niedrigen Temperaturen können Lithiumionen an der Oberfläche ausfallen und dendritisches Lithium bilden. Dieses dendritische Lithium kann die Membran durchdringen und Sekundärverluste verursachen, wodurch die Batteriekapazität sinkt. Erreicht die Lithiumkristallisation eine bestimmte Menge, wächst sie von der negativen Elektrode zur Membran und birgt die Gefahr eines Kurzschlusses.
3. Häufiges Schnellladen verkürzt die Akkulaufzeit.
Häufiges Laden beschleunigt die Akkuverkürzung und kann zu Problemen wie reduzierter Akkuleistung und kürzerer Akkulaufzeit führen. Insbesondere nach Einführung der Schnellladetechnologie, die zwar anfangs sehr schnell lädt, erreicht der Akku beim Abziehen vom Netz oft nicht 100 %. Dies führt zu mehrmaligem Laden und damit zu einer erhöhten Anzahl von Ladezyklen. Langfristig verringert diese Vorgehensweise die Akkuleistung und beschleunigt die Alterung des Akkus.
Hohe Temperaturen sind der Hauptgrund für die Alterung von Lithium-Ionen-Akkus. Schnellladen mit hoher Leistung führt zu einer schnellen Erhitzung des Akkus. Normales Laden hingegen erzeugt zwar weniger Leistung und somit weniger Wärme pro Zeiteinheit, benötigt aber eine längere Ladezeit. Dadurch akkumuliert sich die Wärme im Akku mit der Zeit, und der Unterschied in der während des Ladevorgangs erzeugten Wärme ist nicht ausreichend, um die Alterungsrate des Akkus signifikant zu beeinflussen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Schnellladen hohe Anforderungen an die Batterie stellt, die Batterielebensdauer verkürzt und die Sicherheit deutlich verringert. Daher sollte es möglichst vermieden werden, es sei denn, es ist unbedingt notwendig. Häufiges Schnellladen schädigt die Batterie, wobei Unterschiede in Zelldichte, Material, Umgebungstemperatur und Batteriemanagementsystem zu unterschiedlich starken Schäden führen.
Veröffentlichungsdatum: 26. Oktober 2023