ANN ARBOR-Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage allgegenwärtig und werden in allen möglichen Geräten eingesetzt, von Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu schnurlosen Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen.
Und obwohl sie die am weitesten verbreitete Technologie für die Speicherung mobiler Energie sind, herrscht unter den Nutzern große Verwirrung darüber, wie man die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien am besten verlängern kann.
Um Klarheit zu schaffen, haben Forscher der University of Michigan zahlreiche akademische Abhandlungen und Benutzerhandbücher der Hersteller sowie Informationen auf Kundendienst-Websites durchforstet, um eine Liste mit neun bewährten Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu erstellen.
Neun Schlüssel zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien. Bildnachweis: Center for Sustainable Systems an der U-M School for Environment and Sustainability.
„Durch die Minimierung der Bedingungen, die die Degradation beschleunigen, können Batterien länger halten. Und das wirkt sich positiv auf die Umwelt aus, da die Batterieproduktion eine Quelle von Treibhausgasemissionen und vielen anderen Schadstoffen ist“, sagte der Hauptautor der Studie, Greg Keoleian, Direktor des U-M Center for Sustainable Systems an der School for Environment and Sustainability.
„Außerdem gibt es für die Nutzer erhebliche finanzielle Anreize, ungünstige Bedingungen zu vermeiden, da die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien zwischen 5 % und über 50 % der Produktkosten liegen können.“
Die Ergebnisse des U-M-Teams wurden am 15. Februar im Journal of Energy Storage veröffentlicht.
Viele der empfohlenen Praktiken beziehen sich auf die drei Hauptvariablen, die sich auf den Zustand der Batterie auswirken: Temperatur, Ladezustand und Stromstärke.
Hier einige allgemeine Richtlinien der U-M-Forscher zur Maximierung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien sowie einige spezifische Empfehlungen der Hersteller:
- Vermeiden Sie extreme Temperaturen, sowohl hohe als auch niedrige, bei der Verwendung oder Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien. Erhöhte Temperaturen können den Abbau fast aller Batteriekomponenten beschleunigen und zu erheblichen Sicherheitsrisiken führen, einschließlich Feuer oder Explosion. Wenn ein Laptop oder ein Mobiltelefon während des Ladevorgangs merklich heiß wird, ziehen Sie den Stecker. Setzen Sie Ihr Fahrzeug möglichst keinen niedrigen Temperaturen aus, vor allem nicht beim Aufladen.
Bei Elektrofahrzeugen warnen fast alle Hersteller in ihren Bedienungsanleitungen vor hohen Temperaturen. Einige von ihnen raten, das Fahrzeug bei heißem Wetter im Schatten zu parken und an der Steckdose zu lassen, damit das Kühlsystem der Batterie bei Bedarf laufen kann. Es wird auch empfohlen, das Fahrzeug bei kaltem Wetter an die Steckdose anzuschließen, damit das Heizsystem der Batterie mit Netzstrom betrieben werden kann.
- Minimieren Sie die Zeit, die die Batterie entweder bei 100 % oder 0 % Ladung verbringt. Sowohl extrem hohe als auch niedrige „Ladezustände“ belasten die Batterien. Ziehen Sie eine Teilladung in Betracht, die den Akku auf 80 % SoC statt auf 100 % bringt. Wenn das nicht möglich ist, sollten Sie das Gerät ausstecken, sobald es 100 % erreicht hat.
Samsung und LG empfehlen, dass ihre Telefone aufgeladen werden sollten, wenn sie einen Ladezustand von 20 % erreichen. Nokia und Sony weisen auf mögliche Schäden an ihren Handys hin, wenn das Gerät nach Erreichen von 100 % weiter aufgeladen wird.
Tipps zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus in Laptops. Bildnachweis: Center for Sustainable Systems an der U-M School for Environment and Sustainability.
Bei den meisten Laptops unterbricht ein internes Batteriemanagementsystem den Ladevorgang, sobald das Gerät einen Ladezustand von 100 % erreicht hat, und setzt den Ladevorgang erst wieder fort, wenn der Laptop 95 % SoC erreicht hat. Dennoch raten viele Laptop-Hersteller davon ab, den Computer nach Abschluss des Ladevorgangs an der Steckdose zu lassen.
- Die Verwendung von „Schnellladegeräten“ ist zwar praktisch, aber ein Lithium-Ionen-Akku wird dadurch schneller entladen als durch normales Aufladen. Ein zu schnelles Entladen des Akkus führt ebenfalls zu einer Verschlechterung der Akkuleistung, und zwar durch viele der gleichen Mechanismen. Bei Mobiltelefonen und Laptops kann das Verringern der Bildschirmhelligkeit, das Ausschalten von Ortungsdiensten und das Beenden von Anwendungen mit hohem Energieverbrauch dazu beitragen, die Entladung zu verlangsamen.
- Einige Hersteller von schnurlosen Elektrowerkzeugen raten davon ab, Akkus im Ladegerät zu lagern, während andere davor warnen, den Akku vollständig zu entladen. Einige empfehlen beim Laden des Akkus eine Umgebungstemperatur von mindestens 32 Grad Celsius und maximal 104 Grad Celsius.
- Vermeiden Sie die Verwendung oder Lagerung von Lithium-Ionen-Akkus in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und vermeiden Sie mechanische Beschädigungen wie z. B. Durchstiche.
Eine Batteriezelle besteht aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode) und einem Elektrolyten, der mit jeder Elektrode reagiert. Lithium-Ionen-Batterien verschlechtern sich zwangsläufig mit der Zeit und dem Gebrauch. Nahezu jedes Bauteil ist davon betroffen, einschließlich der Anode, der Kathode, des Elektrolyten, des Separators und der Stromabnehmer.
Es gibt zwei Hauptformen der Batterieverschlechterung: Kapazitätsabfall und Leistungsabfall. Kapazitätsschwund ist eine Abnahme der Energiemenge, die eine Batterie speichern kann, und Leistungsschwund ist eine Abnahme der Energiemenge, die sie liefert.
Die Verlängerung der Batterielebensdauer verringert die Kosten und Umweltbelastungen, die mit der Produktion neuer Batterien verbunden sind – einschließlich Materialverbrauch, Auswirkungen auf den Bergbau und Treibhausgasemissionen – sowie die Entsorgung gebrauchter Batterien.
„Da die Industrie für mobile Elektronik und Elektrofahrzeuge weiter wächst, werden selbst kleine Verbesserungen bei der Verlängerung der Lebensdauer erhebliche Vorteile für die Umwelt mit sich bringen“, schreiben die Autoren des Journal of Energy Storage.
Zusätzlich zu der von ihnen gesichteten akademischen Literatur untersuchten die Forscher öffentlich verfügbare Informationen von Herstellern und suchten nach Anleitungen, Hinweisen, Warnungen oder Tipps zur Verwendung und Wartung von Lithium-Ionen-Batterien.
Zu diesen Unternehmen gehörten zehn Handyhersteller (Apple, Google, HTC, Huawei, LG, Motorola, Nokia, Samsung, Sony und ZTE), zehn Laptophersteller (Acer, Apple, ASUS, Dell, HP, Lenovo, LG, Microsoft, Samsung und Toshiba), vier Hersteller von Elektrowerkzeugen (Bosch, DeWalt, Makita und Milwaukee Tool) und zehn Hersteller von Elektrofahrzeugen (BMW, Chevrolet, Ford, Fiat, Honda, Hyundai, Kia, Mercedes-Benz, Nissan und Tesla).
Autoren der Veröffentlichung im Journal of Energy Storage sind neben Keoleian Maxwell Woody, Maryam Arbabzadeh und Geoffrey Lewis vom U-M Center for Sustainable Systems und Anna Stefanopoulou vom U-M Energy Institute.
Die Arbeit wurde von der Responsible Battery Coalition unterstützt, einem Zusammenschluss von Unternehmen, Wissenschaftlern und Organisationen, die sich für einen verantwortungsvollen Umgang mit den Batterien von heute und morgen einsetzen.
„Da sich die Nation und die Welt auf eine batteriebetriebene Wirtschaft umstellen, ist es von größter Bedeutung, dass wir die Lebensdauer aller Arten von Batterien verlängern, insbesondere derjenigen in unseren Autos und Lastwagen“, sagte Steve Christensen, Geschäftsführer der Responsible Battery Coalition.
„Diese Arbeit einer so angesehenen Forschungseinrichtung wie der University of Michigan ist ein wichtiger erster Schritt auf dem Weg zu einem Generationswechsel in der Art und Weise, wie Verbraucher Batterien nutzen und behandeln.“