ElektromobilitätLithium-Ionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt

Forscher haben bewiesen, dass auch Lithium-Ionen-Akkus durch Teilentladung an Kapazität verlieren. Das könnte in Elektroautos die Reichweite weiter verringern. von Jens Ihlenfeld

Bei einem weit verbreiteten Typ von Lithium-Ionen-Batterien haben Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) und des Toyota-Forschungslabors in Japan einen Memory-Effekt entdeckt. Bislang wurde davon ausgegangen, dass bei Lithium-Ionen-Akkus der von anderen Akkutypen bekannte Effekt nicht auftritt. Die Arbeit der Forscher wurde jetzt in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Werden Akkus mit Memory-Effekt wiederholt aufgeladen, bevor sie vollständig entladen sind, sinkt die Arbeitsspannung der Batterie durch die unvollständigen Lade-/Entladezyklen mit der Zeit. Obwohl die Batterie noch Ladung hat, ist die Spannung, die sie liefert, irgendwann so niedrig, dass sie ihren Dienst nicht wie gewünscht verrichten kann. Konkret hat der Memory-Effekt zwei negative Folgen: Zum einen wird die nutzbare Speicherkapazität der Batterie reduziert. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, so dass Letzterer nicht mehr verlässlich anhand der Spannung bestimmt werden kann.

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Seit langem bekannt ist der Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus. Bei den seit Anfang der 1990er Jahren erfolgreich vermarkteten Lithium-Ionen-Akkus wurde jedoch bisher die Existenz eines solchen Effekts ausgeschlossen.

Festgestellt haben die Forscher von PSI und Toyota den Memory-Effekt nun an einem der meistverbreiteten Materialien für die positive Elektrode von Lithium-Ionen-Akkus: Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Bei Lithium-Eisenphosphat bleibt die Spannung nämlich über einen großen Bereich des Ladezustands praktisch unverändert. Das bedeutet, dass bereits eine kleine anomale Abweichung der Arbeitsspannung als eine große Veränderung im Ladezustand missdeutet werden könnte. Oder mit anderen Worten: Wenn aus der Spannung auf den Ladezustand geschlossen wird, kann hier schon durch eine kleine Abweichung der Spannung ein großer Schätzfehler entstehen.

In Hybridautos problematisch

Die Forscher um Petr Novák, Leiter der Sektion Elektrochemische Energiespeicherung des Paul Scherrer Instituts, halten ihre Entdeckung vor allem im Hinblick auf die zu erwartende Verbreitung von Lithium-Ionen-Akkus im Bereich der Elektromobilität für relevant. Insbesondere bei Hybridautos, die bei jedem Bremsvorgang ihre Akkus durch den zum Generator verwandelten Motor aufladen, könnten so extrem viele Ladezyklen entstehen und zu Problemen führen. Die vielen aufeinander folgenden Zyklen unvollständiger Ladung beziehungsweise Entladung können durch Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte einen großen Memory-Effekt zur Folge haben, wie die neue Arbeit der Forscher zeigt.

Die Ursache für den Memory-Effekt liegt nach Ansicht der Wissenschaftler in der Art und Weise, wie das Laden beziehungsweise Entladen der Akkus auf der mikroskopischen Ebene vor sich geht. Das Elektrodenmaterial – in diesem Fall Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) – besteht aus einer sehr großen Zahl extrem kleiner Partikel, die nacheinander aufgeladen und entladen werden.

Das Laden schreitet Partikel für Partikel voran und besteht darin, dass die Teilchen Lithiumionen abgeben. Ein komplett geladenes Partikel ist demnach Lithium-leer und besteht nur noch aus Eisenphosphat (FePO4). Das Entladen wiederum besteht in der Wiederansammlung von Lithium-Atomen in den Elektrodenpartikeln, so dass aus Eisenphosphat (FePO4) wieder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) wird. Die Änderungen des Lithium-Anteils, die mit dem Laden beziehungsweise Entladen einhergehen, verursachen eine Änderung des chemischen Potenzials der einzelnen Partikel, was wiederum die Spannung der Akkus verändert.

Leserkommentare
  1. Im Übrigen kommt keine Batterie mit einem effektiv eingestellten 6l Hubraum Verbrennungsmotor auch nur ansatzweise im Kosten/Nutzen Vergleich mit.

    • 29C3
    • 16. April 2013 12:18 Uhr

    etwas von diesen Entdeckungen wusste?
    <em>"Das könnte in Elektroautos die Reichweite weiter verringern."</em>

    3 Leserempfehlungen
  2. Seit ich die Marketing-Übertreibungen für die Batterien meiner ersten Digitalkamera gelesen habe hatte ich Zweifel an der Behauptung daß diese Batterien keinen Memory-Effekt haben sollen.
    In meiner Kamera hatten sie den – obwohl damals die Batterien sehr schnell leer waren – deshalb habe ich immer zwei Batterien dabeigehabt – diejenige die ich immer als erste verwendet habe (die immer leer war nach einem Ausflug) hat lange gehalten. Die „back-up“-Batterie habe ich zwei mal ersetzen müssen (die war nie richtig leer – zwei mal 50 Euro).
    Meine neueste Kamera macht so viele Bilder mit einer Batterieladung dass ich nur noch die leere nachlade, die Ersatzbatterie bleibt drin bis zum nächsten Mal. Dadurch sind beide immer leer beim Nachladen – das verhindert den Memory-Effekt.
    Vielleicht sollte man so was auch bei Autobatterien machen, aber eine Batteie kostet ja schon so viel wie ein ganzes tolles Auto mit normalem Motor allein...

    2 Leserempfehlungen
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    Bei den hier erforschten Akkus handelt es sich um Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) Akkus, die garantiert nicht in ihrer Kamera stecken. Dort haben Sie Akkus aus Lithium-Mischoxiden, für die ein Memory-Effekt bisher nicht nachgewiesen wurde.
    Der Kapzitätsverlust den Sie beschreiben ist eine völlig normale und bekannte Verschleiserscheinung, der alle LI-Akkus unterliegen und die nicht reversibel ist. Der Memory-Effekt hingegen ist altersunabhängig: Wird die Batterie nur bis 80% geladen und dann vom Strom getrennt, lädt sie (vereinfacht) auch beim nächsten Zyklus nur bis 80% auch wenn sie nicht vom Strom getrennt wird. Dieser Effekt ist aber umkehrbar.
    Im Übrigen wird ihre Kamera den Teufel tun und den Akku völlig entladen. Sonst müssten Sie sich nämlich monatlich neue Akkus kaufen. Tiefenentladung ist für LI-Akkus tödlich und beschleunigt die Alterung. Deshalb verbleibt absichtlich immer eine Restladung, auch wenn das Gerät anzeigt der Akku wäre leer.

    <em>In meiner Kamera hatten sie den – obwohl damals die Batterien sehr schnell leer waren – deshalb habe ich immer zwei Batterien dabeigehabt – diejenige die ich immer als erste verwendet habe (die immer leer war nach einem Ausflug) hat lange gehalten. Die „back-up“-Batterie habe ich zwei mal ersetzen müssen (die war nie richtig leer – zwei mal 50 Euro).</em>

    Das muß kein Memory-Effekt gewesen sein, sondern war vielleicht der Akassier-Effekt:
    http://www.zeit.de/zeit-wissen/2011/04/Antifeatures/seite-2

    Einen Li-Akku ab und zu bis zur Entladeschlußspannung zu entladen, hilft weniger dem Akku als dem eingebauten Batteriemanagementsystem, welches erst durch eine komplette Entladung mit anschließender Volladung die tatsächlich vorhandene Akkukapazität messen kann.
    Sonst nimmt es einfach einen gewissen Kapazitätsverlust an, der aber nichts mit der Realität zu tun haben muß.

    Bei meinem bei Ebay ersteigerten Garmin nüvi konnte ich die Akkulaufzeit so jedenfalls wieder von 15 Minuten auf >2 Stunden erhöhen.
    Der Akku war also keineswegs "kaputt" obwohl es für den Laien so ausgesehen hätte!

    Bei E-Autos wird diese Kalibrierung der Kapazitätsanzeige übrigens während des Service durch die Werkstatt vorgenommen:
    http://26373.foren.mysnip.de/read.php?28653,362326

    Sie beschreiben da eine mögliche Lösung. Elektroautos haben ja nicht nur eine einzelne Zelle, sondern sehr viele davon. Es spricht also wenig dagegen, die Batterie in zwei Sektionen zu teilen, um dann abwechselnd zuerst die eine Sektion, dann die andere Sektion leer zu fahren.

  3. Bei den hier erforschten Akkus handelt es sich um Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) Akkus, die garantiert nicht in ihrer Kamera stecken. Dort haben Sie Akkus aus Lithium-Mischoxiden, für die ein Memory-Effekt bisher nicht nachgewiesen wurde.
    Der Kapzitätsverlust den Sie beschreiben ist eine völlig normale und bekannte Verschleiserscheinung, der alle LI-Akkus unterliegen und die nicht reversibel ist. Der Memory-Effekt hingegen ist altersunabhängig: Wird die Batterie nur bis 80% geladen und dann vom Strom getrennt, lädt sie (vereinfacht) auch beim nächsten Zyklus nur bis 80% auch wenn sie nicht vom Strom getrennt wird. Dieser Effekt ist aber umkehrbar.
    Im Übrigen wird ihre Kamera den Teufel tun und den Akku völlig entladen. Sonst müssten Sie sich nämlich monatlich neue Akkus kaufen. Tiefenentladung ist für LI-Akkus tödlich und beschleunigt die Alterung. Deshalb verbleibt absichtlich immer eine Restladung, auch wenn das Gerät anzeigt der Akku wäre leer.

    5 Leserempfehlungen
  4. ... oder es sogar gemerkt haben wollen, bitte nochmal den letzten Absatz im Artikel aufmerksam lesen:
    Forscher Novák räumt aber ein, dass der Effekt winzig ist: "Die relative Abweichung in der Spannung beträgt nur wenige Promille"

    Das hat niemand gemerkt und es spielt im Akku für Handy/Taschenlampe/Wasauchimmer-Heimgerät keine Rolle.
    rob

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  5. wo ist er dann bisher in der Praxis geblieben?
    Hätte man den nicht schon bemerken müssen, bei den diversen E-Autos auf der Straße?

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    <em>Hätte man den nicht schon bemerken müssen, bei den diversen E-Autos auf der Straße?</em>

    Dass ihn bisher tatsächlich niemand bemerkt hat, zeigt ja dass der Effekt in der Praxis nicht relevant ist und sich nur im Promillebereich abspielt.
    Einmal an der Ampel etwas weniger sportlich beschleunigt und schon ist der "Reichweitenverlust" ausgeglichen.

    Wer nicht nur im Elfenbeinturm mit Akkus arbeitet, der weiß auch dass die Zellspannung bei keinem Akkutyp außer Blei als Indikator für den Ladezustand verwendet werden kann.

    Richtige Batteriemanagementsysteme messen ständig die geladene bzw. entladene Energiemenge und die aktuelle Stromstärke, und berechnen daraus den Ladezustand des Akkus.
    Dabei sind nur 2 Spannungen wichtig: die Entladeschlußspannung (= Akku "leer") und die Ladeschlußspannung bei der das Ladegerät von der Konstantstrom- in die Konstantspannungs-Ladephase umschaltet.

  6. <em>Hätte man den nicht schon bemerken müssen, bei den diversen E-Autos auf der Straße?</em>

    Dass ihn bisher tatsächlich niemand bemerkt hat, zeigt ja dass der Effekt in der Praxis nicht relevant ist und sich nur im Promillebereich abspielt.
    Einmal an der Ampel etwas weniger sportlich beschleunigt und schon ist der "Reichweitenverlust" ausgeglichen.

    Wer nicht nur im Elfenbeinturm mit Akkus arbeitet, der weiß auch dass die Zellspannung bei keinem Akkutyp außer Blei als Indikator für den Ladezustand verwendet werden kann.

    Richtige Batteriemanagementsysteme messen ständig die geladene bzw. entladene Energiemenge und die aktuelle Stromstärke, und berechnen daraus den Ladezustand des Akkus.
    Dabei sind nur 2 Spannungen wichtig: die Entladeschlußspannung (= Akku "leer") und die Ladeschlußspannung bei der das Ladegerät von der Konstantstrom- in die Konstantspannungs-Ladephase umschaltet.

  7. <em>In meiner Kamera hatten sie den – obwohl damals die Batterien sehr schnell leer waren – deshalb habe ich immer zwei Batterien dabeigehabt – diejenige die ich immer als erste verwendet habe (die immer leer war nach einem Ausflug) hat lange gehalten. Die „back-up“-Batterie habe ich zwei mal ersetzen müssen (die war nie richtig leer – zwei mal 50 Euro).</em>

    Das muß kein Memory-Effekt gewesen sein, sondern war vielleicht der Akassier-Effekt:
    http://www.zeit.de/zeit-wissen/2011/04/Antifeatures/seite-2

    Einen Li-Akku ab und zu bis zur Entladeschlußspannung zu entladen, hilft weniger dem Akku als dem eingebauten Batteriemanagementsystem, welches erst durch eine komplette Entladung mit anschließender Volladung die tatsächlich vorhandene Akkukapazität messen kann.
    Sonst nimmt es einfach einen gewissen Kapazitätsverlust an, der aber nichts mit der Realität zu tun haben muß.

    Bei meinem bei Ebay ersteigerten Garmin nüvi konnte ich die Akkulaufzeit so jedenfalls wieder von 15 Minuten auf >2 Stunden erhöhen.
    Der Akku war also keineswegs "kaputt" obwohl es für den Laien so ausgesehen hätte!

    Bei E-Autos wird diese Kalibrierung der Kapazitätsanzeige übrigens während des Service durch die Werkstatt vorgenommen:
    http://26373.foren.mysnip.de/read.php?28653,362326

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