Lithium-Ionen-Akkus haben doch einen Memory-Effekt

21. April 2013, 21:44
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Bei den seit fast 20 Jahren erfolgreichen Lithium-Ionen-Akkus wurde der schleichende Kapazitätsverlust bisher ausgeschlossen - Zu Unrecht, wie sich nun zeigte

Im Unterschied zu beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkumulatoren leiden Lithium-Ionen-Akkus nicht unter einem Memory-Effekt - so hieß es zumindest bisher immer. Ein Irrtum, wie sich nun herausgestellt hat: Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und des Toyota-Forschungslabors in Japan haben bei einem weit verbreiteten Typ der Lithium-Ionen-Akkumulatoren doch den schleichenden Kapazitätsverlust entdeckt. Besonders relevant ist der Fund für die Elektromobilität.

Wird ein Rasierer oder die elektrische Zahnbürste immer wieder aufgeladen, bevor die Akkus leer laufen, kann sich die Vorsicht des Nutzers nachträglich rächen. Der Akku scheint sich nämlich zu merken, dass ihm immer nur ein Teil seiner  Speicherkapazität entnommen wird - und liefert irgendwann eben nicht mehr sein volles Potenzial. Fachleute sprechen dann von einem Memory-Effekt, der zustande kommt, weil die Arbeitsspannung des Akkus durch die unvollständigen Lade-/Entladezyklen mit der Zeit sinkt. Das heißt, obwohl der Akku noch Ladung hat, ist die Spannung, die er liefert, irgendwann zu niedrig, um das fragliche Gerät anzutreiben. Der Memory-Effekt hat also zweierlei negative Folgen: Zum einen wird die nutzbare Speicherkapazität des Akkumulators reduziert. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, sodass Letzterer nicht mehr verlässlich anhand der Spannung bestimmt werden kann.

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 hatte man jedoch bisher die Existenz eines solchen Effekts ausgeschlossen. Zu Unrecht, wie die neue Arbeit zeigt.

Folgenreiche Abweichung der Arbeitsspannung

Festgestellt wurde der Memory-Effekt an einem der meistverbreiteten Materialien für die positive Elektrode von Lithium-Ionen-Akkus: Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Bei dieser Verbindung sind der nun entdeckte Memory-Effekt und die damit verbundene anomale Abweichung der Arbeitsspannung besonders folgenreich. 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.

Die Existenz des Memory-Effekts ist vor allem im Hinblick auf den zu erwartenden Einzug von Lithium-Ionen-Akkus in den Bereich der Elektromobilität relevant. Insbesondere bei Hybridautos, bei deren normalem Betrieb sehr viele Zyklen partieller Ladung/Entladung stattfinden, würde der Effekt auftreten. In diesen Fahrzeugen wird der Akku nämlich bei jedem Bremsvorgang durch den zum Generator verwandelten Motor aufgeladen. Entladen wird er auch meist nur partiell, etwa um den Verbrennungsmotor in Beschleunigungsphasen zu unterstützen.

In Summe relevanter Effekt

Die vielen aufeinanderfolgenden Zyklen unvollständiger Ladung bzw. Entladung können die Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte zu einem großen Memory-Effekt zur Folge haben, wie die neue Arbeit zeigt. Dies würde einen Fehler bei der Abschätzung des momentanen Ladezustandes der Batterie zur Folge haben, falls der Ladezustand von der entsprechenden Software anhand des aktuellen Wertes der Spannung berechnet wird.

Für die voranschreitende Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen ist mit der jüngsten Entdeckung jedoch nicht das letzte Wort gesprochen. Es sei nämlich durchaus möglich, dass der Effekt durch kluge Anpassungen der Software im Batterie-Managementsystem rechtzeitig festgestellt und berücksichtigt werden wird, betont Petr Novák, Leiter der Sektion für elektrochemische Energiespeicherung am PSI und Mitautor der Publikation. Sollte das gelingen, stünde der Memory-Effekt dem sicheren Einsatz von Lithiumionen-Batterien in Elektroautos nicht im Wege. Nun seien also die Ingenieure gefordert, den richtigen Umgang mit dem eigentümlichen Gedächtnis der Batterie zu finden. (red, derStandard.at, 21.4.2013)


Abstract
Nature Materials: Memory effect in a lithium-ion battery

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