In Zeiten, in denen sich die Welt auf saubere und nachhaltige Energiequellen umstellt, haben Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) erheblich an Popularität gewonnen. Diese Batterien sind für ihre hohe Energiedichte und lange Lebensdauer bekannt und haben die Branche revolutioniert. Viele Benutzer fragen sich jedoch oft: „Wie lange halten Lithium-Ionen-Batterien? In diesem Artikel gehen wir der Antwort auf diese Frage auf den Grund und untersuchen, wie LiFePO4-Batterien, eine fortschrittliche Art von Lithium-Ionen-Batterien, im Hinblick auf ihre Lebensdauer abschneiden.

 

Inhaltsverzeichnis
Teil 1. Was sind Lithium-Ionen-Batterien?
Teil 2. Wie lange halten Lithium-Ionen-Batterien?
Teil 3. Einflussfaktoren auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

3.1 Während der Lagerung

3.2 Beim Zyklusbetrieb

Teil 4. Methoden zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien
Teil 5. Häufig gestellte Fragen zum Li-Ionen-Akku
Teil 6. Lohnt sich die Investition in Lithium-Ionen-Batterien?

 

Teil 1. Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4), sind wiederaufladbar und verwenden Lithium-Ionen als Hauptbestandteil ihres Elektrolyts. LiFePO4-Batterien bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Batterietypen, wie z. B. eine längere Lebensdauer, eine höhere Effizienz und Energiedichte, einen geringeren Wartungsbedarf, mehr Sicherheit und Umweltfreundlichkeit. Diese Eigenschaften machen sie ideal für netzunabhängige Stromversorgungssysteme, Hochleistungsanwendungen und Mobilitätslösungen.

Als Startbatterien 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 zu vermeiden.

Dagegen eignen sich LiFePO4-Batterien hervorragend als Tiefentladungsbatterien. Sie können häufige Tiefentladungen verkraften und sind daher ideal für die Speicherung erneuerbarer Energien und andere Tiefzyklusanwendungen. Mit einer längeren Zykluslebensdauer als Li-Ionen-Batterien können LiFePO4-Batterien über längere Zeiträume hinweg Anwendungen mit hoher Leistung liefern. Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen 2 Batterietypen unter Marine Tiefzyklus- und Startbatterie.

 

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

Ein Standard-Lithium-Ionen-Akku hält je nach Nutzung durchschnittlich 2 bis 3 Jahre. Bei ordnungsgemäßer Wartung und Einhaltung der Anweisungen des Herstellers kann sich diese Lebensdauer jedoch auf bis zu fünf Jahre verlängern. Li-Ionen-Batterien sind temperaturempfindlich, und hohe Temperaturen können ihre Lebensdauer erheblich verkürzen. Daher ist es wichtig, dass Sie Ihren Lithium-Ionen-Akku an einem kühlen, trockenen Ort lagern, um Hitzeeinwirkung zu vermeiden und seine Lebensdauer zu verlängern.

LiFePO4-Batterien sind eine fortschrittlichere und nachhaltigere Sorte von Lithium-Ionen-Batterien, die sich in der Branche zunehmender Beliebtheit erfreuen. Diese Batterien haben eine längere Lebensdauer als herkömmliche Li-Ionen-Batterien und können bis zu 10 Jahre oder länger halten. Darüber hinaus sind LiFePO4-Batterien äußerst stabil und sicher und stellen eine zuverlässigere und nachhaltigere Lösung für netzunabhängige Strom- und Mobilitätsanwendungen dar.

Ein wesentlicher Vorteil von LiFePO4-Batterien ist ihre Fähigkeit, mehr Lade- und Entladezyklen zu bewältigen. Während herkömmliche Li-Ionen-Batterien bis zu 500-1000 Zyklen aushalten, können LiFePO4-Batterien bis zu 2000 Zyklen überstehen, was sie langfristig zu einer langlebigeren und kostengünstigeren Lösung macht. Die LiFePO4-Batterie von Power Queen kann zwischen 4000 und 15000 Zyklen bewältigen und hat eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren, was sie zu einer idealen Alternative zu Blei-Säure-Batterien macht. Außerdem sind LiFePO4-Batterien viel sicherer als herkömmliche Li-Ionen-Batterien, da sie aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung weniger anfällig für Überhitzung oder Explosion sind.

Power Queen 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. Power Queen ist stolz auf die Qualität und Haltbarkeit seiner Batterien, die gründlich getestet werden, um die Kundenzufriedenheit zu gewährleisten.

 

Teil 3. Einflussfaktoren auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Gemäß der Studie Eine Studie über die Faktoren, die die Degradation von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, sind hier die Faktoren aufgeführt, die die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen können.

3.1 Während der Lagerung

1) Temperatur

Die Hauptursache für den Kapazitätsverlust der Batterie 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 Dicke des SEI-Films (“ Solid Electrolyte Interface “) auf der Anode erhöht, wodurch Lithiumionen verbraucht werden, der Innenwiderstand steigt und die Batteriekapazität sinkt. Bei dieser Zersetzung entstehen auch Gase, die den Innendruck erhöhen und ein Sicherheitsrisiko darstellen. Wie aus Tabelle 3.1 hervorgeht, verlieren Lithium-Ionen-Batterien, die bei gleichem Ladezustand (40 %) gelagert werden, im Laufe eines Jahres bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Prozentsätze ihrer Kapazität.

Der Grad der Degradation nimmt mit höheren Temperaturen zu, und extreme Temperaturen beschleunigen den Kapazitätsverlust erheblich. So führt beispielsweise ein Anstieg um 25 °C von 0 °C auf 25 °C zu einem Kapazitätsverlust von nur 2 %, während ein Anstieg um 20 °C von 40 °C auf 60 °C zu einem Kapazitätsverlust von 10 % führt.

Tabelle 3.1

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 Batterie 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.

Abbildung 3.2

Abbildung 3.3 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.

Abbildung 3.3

Um die Verschlechterung der Batterie zu minimieren und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, ist es ratsam, Li-Ionen-Batterien auf einem moderaten SOC-Niveau zu halten. Es wird empfohlen, Li-Ionen-Batterien vor der Lagerung auf etwa 50 % SOC zu laden oder zu entladen.

3.2 Beim Zyklusbetrieb

1) Temperatur

Während eine erhöhte Temperatur während des Batteriebetriebs die Leistung vorübergehend verbessern kann, verkürzt ein längerer Zyklus bei hohen Temperaturen die Lebensdauer der Batterie. Eine bei 30 °C betriebene Batterie hat beispielsweise eine um 20 % verringerte Zykluslebensdauer, während die Batterie bei 45 °C nur halb so lange hält wie bei 20 °C.

Die Hersteller geben eine Nennbetriebstemperatur von 27 °C an, um die Laufzeit der Batterie zu optimieren. Umgekehrt erhöhen extrem niedrige Temperaturen den Innenwiderstand und verringern die Entladekapazität. Ein Akku, der bei 27 °C eine Kapazität von 100 % bietet, verfügt bei -18 °C nur noch über eine Kapazität von 50 %.

Die Entladekapazität von Lithium-Polymer-Zellen variiert mit der Temperatur, wobei bei niedrigen Temperaturen (0°C, -10°C, -20°C) geringere Kapazitäten als bei höheren Temperaturen (25°C, 40°C, 60°C) beobachtet werden. Das Laden von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen (unter 15°C) kann aufgrund der verlangsamten Einlagerung von Lithium-Ionen zu Lithium-Plating führen, was den Abbau der Batterie durch Erhöhung des Innenwiderstands und weitere Verringerung der Entladekapazität beschleunigt.

Abbildung 3.4

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 optimal, um eine maximale Lebensdauer zu erreichen. Die Hersteller empfehlen jedoch eine etwas höhere Temperatur von 27 °C, wenn eine maximale Akkulaufzeit erforderlich ist.

2) Entladetiefe (DOD)

Die Entladetiefe ('DOD') hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien. Tiefentladungen erzeugen Druck in den Zellen und beschädigen die negativen Elektroden, was den Kapazitätsverlust beschleunigt und das Risiko von Zellschäden erhöht. Wie in Abbildung 3.5 dargestellt, führt eine höhere Entladetiefe zu einer kürzeren Lebensdauer der Batterie.

Abbildung 3.5

Entladetiefen von über 50 % werden als Tiefentladungen bezeichnet. Wenn die Spannung eines Lithium-Ionen-Akkus von 4,2 V auf 3,0 V abfällt, werden etwa 95 % seiner Energie verbraucht, was zu einer kürzestmöglichen Lebensdauer des Akkus bei kontinuierlichem Zyklus führt. Um Kapazitätsverluste zu vermeiden, ist es empfehlenswert, Tiefentladungen während des Batteriewechsels zu vermeiden. Teilentladungen und -ladungen von Lithium-Ionen-Batterien tragen zur Verlängerung ihrer Lebensdauer bei.

Die Hersteller stufen einen Akku in der Regel nach der 80 %-DOD-Formel ein, was bedeutet, dass nur 80 % der zugeführten Energie während des Gebrauchs genutzt werden, während die restlichen 20 % für die Verlängerung der Lebensdauer des Akkus reserviert sind. Eine Verringerung des DOD-Wertes kann zwar die Lebensdauer verlängern, aber ein zu niedriger DOD-Wert kann zu einer unzureichenden Akkulaufzeit führen und dazu, dass bestimmte Aufgaben nicht erledigt werden können. Für Lithium-Ionen-Batterien wird ein DOD-Wert von etwa 50 % empfohlen, um eine maximale Lebensdauer und optimale Betriebszeit zu erreichen.

3) Ladespannung

Li-Ionen-Akkus können mit hohen Ladespannungen eine hohe Kapazität und eine längere Laufzeit erreichen. Von einer vollständigen Aufladung ist jedoch abzuraten, da dies zu einer Lithiumplattierung führen kann, die einen Kapazitätsverlust zur Folge hat und die Batterie möglicherweise beschädigt, wodurch sich das Risiko von Bränden oder Explosionen erhöht.

Abbildung 3.6

Abbildung 3.6 veranschaulicht den Kapazitätsabbau bei hohen Ladespannungen (> 4,2 V/Zelle) und zeigt, dass höhere Spannungen zu einem schnelleren Kapazitätsverlust und einer kürzeren Lebensdauer führen. Die empfohlene Ladespannung für optimale Kapazität und Sicherheit beträgt 4,2 V. Eine Verringerung der Ladespannung um 70 mV kann die Gesamtkapazität um etwa 10 % verringern.

Tabelle 3.2 zeigt, dass die Zyklenlebensdauer bei einer Ladespannung von 3,90 V am längsten ist (2400-4000 Zyklen) und sich mit jeder Erhöhung der Ladespannung um 0,10 V innerhalb des Bereichs von 3,90 V bis 4,30 V halbiert.

Tabelle 3.2

Um eine signifikante Verschlechterung der Batterie zu vermeiden, sollten Li-Ionen-Batterien mit einer Spannung von unter 4,10 V geladen werden. Eine niedrigere Ladespannung verlängert zwar die Lebensdauer des Akkus, führt aber zu einer geringeren Betriebsdauer. Außerdem sollte eine Entladung unter 2,5 V/Zelle vermieden werden, und eine Ladespannung von 3,92 V ist optimal, um die längste Lebensdauer zu erreichen. Aus diesem Grund empfiehlt Power Queen nicht, eine Lifepo4-Batterie mit einem Blei-Säure-Ladegerät zu laden, da dessen Spannung für eine ordnungsgemäße Ladung nicht ausreicht. Nachfolgend finden Sie das Format der empfohlenen Ladespannung für verschiedene Deep-Cycle-Batteriesysteme.

Die empfohlene Ladespannung hängt von der Art des Tiefzyklus-Batteriesystems ab. Für elektronische Geräte wie Laptops und Mobiltelefone wird eine höhere Spannungsschwelle verwendet, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Im Gegensatz dazu wird bei großen Energiespeichersystemen für Satelliten oder Elektrofahrzeuge eine niedrigere Spannungsschwelle festgelegt, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Unabhängig von der Anwendung kann das Überladen von Lithium-Ionen-Batterien deren Lebensdauer erheblich verkürzen und Sicherheitsrisiken wie Brände oder Explosionen mit sich bringen und erfordert daher ein sorgfältiges Management.

4) Ladestrom/ C-Rate

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

Eine wichtige Folge hoher C-Raten ist die Lithiumplattierung. Wenn eine Li-Ionen-Batterie mit hohem Strom geladen wird, wandern die Lithiumionen schnell, was zu einer Anhäufung von Lithium auf der Anodenoberfläche führt und metallisches Lithium bildet. Dieser Prozess wird noch verschärft, wenn Batterien bei niedrigen Temperaturen oder hohem Ladezustand (SOC) schnell geladen werden.

Das abgelagerte Lithium kann unter dem Einfluss der Schwerkraft dendritische Strukturen bilden, wodurch sich die Selbstentladung der Batterie erhöht. In schweren Fällen kann dies zu Kurzschlüssen und potenziellen Bränden führen. Außerdem tragen hohe Lade- und Entladeströme zu einem größeren Energieverlust aufgrund des Innenwiderstands bei, wodurch Energie in Wärme umgewandelt wird. Wenn die C-Rate den empfohlenen Wert der Batterie überschreitet, kann die erhöhte Temperatur die Batterie belasten, was zu Schäden führt und den Kapazitätsverlust beschleunigt.

5) Zyklushäufigkeit

Häufige Zyklen von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere wenn sie viermal oder öfter pro Tag durchgeführt werden, können zu mechanischer Belastung führen und das Wachstum der Festkörper-Elektrolyt-Interphasen-Schicht (SEI) fördern.

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

Die Verdickung der SEI-Schicht, die Verringerung der Lithium-Reaktionsstellen und andere chemische Veränderungen in Li-Ionen-Batterien führen zu Kapazitätsverlusten und schließlich zum Ausfall der Batterie. Obwohl es keine spezifischen Forschungsarbeiten gibt, die sich direkt mit diesem Thema befassen, geht man davon aus, dass eine hohe Zyklenfrequenz den Batterieabbau aufgrund der durch den häufigen Gebrauch entstehenden hohen Temperaturen beschleunigt.

Ständige Zyklen von Lithium-Ionen-Batterien ohne ausreichende Abkühlungszeit können chemischen Stress verursachen, der zur Zersetzung von Elektrolyten und Elektroden führt.

 

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

Um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verlängern, sollten Sie die folgenden Richtlinien befolgen:

Halten Sie die Batterie bei moderaten Temperaturen: Hohe Temperaturen können die Lebensdauer des Akkus verkürzen. Es wird empfohlen, Lithium-Ionen-Batterien in einem moderaten Temperaturbereich von 5°C bis 20°C zu lagern oder zu verwenden.

Teilentladung und -aufladung: Eine Teilentladung und -aufladung von Lithium-Ionen-Akkus kann deren Lebensdauer verlängern. Vermeiden Sie Tiefentladungen über 50% DOD, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Halten Sie moderate SOC-Werte ein: Extreme SOC-Werte können zu Kapazitätsverlusten führen und die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Wenn Sie Lithium-Ionen-Batterien auf einem mittleren SOC-Level halten, minimieren Sie die Degradation und verlängern ihre Lebensdauer.

Vermeiden Sie Hitzeeinwirkung: Hohe Temperaturen während des Gebrauchs oder der Lagerung können die SEI-Dicke erhöhen und die Oxidation des Elektrolyten auslösen, was zu Kapazitätsverlust und verkürzter Lebensdauer führt.

Lagern Sie Batterien richtig, wenn sie nicht in Gebrauch sind: Lagern Sie Lithium-Ionen-Akkus mit einem SOC-Wert von etwa 50 % und schützen Sie sie vor extremen Temperaturen und Feuchtigkeit, wenn sie nicht in Gebrauch sind.

Vermeiden Sie schnelles Laden und Entladen: Schnelles Auf- und Entladen erzeugt übermäßige Hitze, die die internen Komponenten des Akkus im Laufe der Zeit beschädigen und die Gesamtlebensdauer des Akkus verkürzen kann.

Verwenden Sie OEM-Ladegeräte (Original Equipment Manufacturer): Die Verwendung von OEM-Ladegeräten, die speziell für Li-Ionen-Batterien entwickelt wurden, stellt sicher, dass sie die richtige Spannung und den richtigen Strom erhalten, was Schäden verhindert und ihre Lebensdauer verlängert. Power Queen bietet geeignete LiFePO4-Batterieladegeräte zum Laden von LiFePO4-Lithiumbatterien.

 

Teil 5. Häufig gestellte Fragen zum Li-Ionen-Akku

1. Wie lange halten Lithium-Batterien in Autos?

Die Lebensdauer von Lithiumbatterien in Autos hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Qualität der Batterie, dem Nutzungsverhalten und den Umweltbedingungen. Im Allgemeinen kann eine gut gewartete Lithiumbatterie in einem Auto zwischen 8 und 10 Jahren oder sogar länger halten.

Die Lebensdauer kann jedoch je nach Nutzungshäufigkeit des Fahrzeugs, Ladegewohnheiten, Umgebungstemperatur und Fahrstil erheblich variieren. Um eine maximale Lebensdauer und Leistung zu gewährleisten, ist es wichtig, die Richtlinien des Herstellers für die Wartung und das Aufladen der Batterie zu befolgen.

2. Wie lange halten Lithium-Batterien imWohnmobil?

Eine gut gewartete Lithium-Batterie in einem Wohnmobil hält in der Regel zwischen 5 und 7 Jahren oder länger. Power Queen Lithium-Batterien mit einem Lebenszyklus von bis zu 4000-15000 Zyklen können über 10 Jahre halten.

3. Wie lange kann eine Lithium-Batterie ohne Aufladen durchhalten?

Wie lange ein Lithium-Ionen-Akku ohne Aufladen hält, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Kapazität des Akkus, das Gerät, in dem er sich befindet, und der Stromverbrauch des Geräts. Im Durchschnitt können die meisten Lithium-Ionen-Batterien je nach Lagerungsbedingungen zwischen 2 und 10 Jahren ohne Aufladung auskommen. Diese Zeitspanne kann jedoch je nach Temperatur, Nutzungsverhalten und Lagerbedingungen variieren. Eine ordnungsgemäße Lagerung und die Einhaltung des empfohlenen Ladezustands (SOC) sind für die Maximierung der Lebensdauer von entscheidender Bedeutung. Auch wenn sie nicht benutzt werden, können Lithium-Ionen-Batterien mit der Zeit an Ladung verlieren und müssen vor der Benutzung möglicherweise wieder aufgeladen werden.

4. Ist ein LiFePO4-Akku sicherer als ein Lithium-Ionen-Akku?

Ja, Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4 oder LFP) gelten als sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). Dies ist auf ihre stabilere Chemie zurückzuführen, die sie weniger anfällig für Überhitzung, thermisches Durchgehen und andere Sicherheitsprobleme macht.

LiFePO4-Batterien haben ein geringeres Risiko eines thermischen Durchgehens, weil sie einen geringeren Innenwiderstand haben, d. h. sie erzeugen weniger Wärme, was die Wahrscheinlichkeit einer Zellbeschädigung oder Explosion verringert. Darüber hinaus bieten sie eine höhere thermische Stabilität und können hohen Temperaturen ohne Kapazitätsverlust standhalten, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine dauerhafte und zuverlässige Energiequelle erfordern.

 

Teil 6. Lohnt sich die Investition in Lithium-Ionen-Batterien?

Im Vergleich zu veralteten Blei-Säure-Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien unbestreitbar die bessere Wahl. Sie sind leichter, haben eine höhere Stromspeicherkapazität und eine geringere Selbstentladungsrate. Außerdem erfordern sie weniger Wartung und haben eine längere Lebensdauer. Auch wenn sie anfangs teurer sind, sind die Einsparungen, die sie insgesamt bringen, erheblich. Daher betrachten wir Lithium-Ionen-Batterien als eine wertvolle Investition. Sie bieten eine zuverlässige und problemlose Möglichkeit, große Mengen an Energie zu speichern, die besonders dann nützlich sein kann, wenn sie am meisten gebraucht wird.

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