Warum Handy-Akkus nicht so lange halten wie EV-Akkus

2020-04-21 14:02:13

Wie sich Nutzung und Management auf die Langlebigkeit auswirken

Autohersteller erweitern die Reichweite des Elektrofahrzeugs, um einem benzinbetriebenen Auto zu ähneln. Dies erfordert größere Batterien, die mit der zurückgelegten Strecke exponentiell wachsen. Abbildung 1 zeigt die geschätzten Reichweiten mit verschiedenen Batteriesystemen und Wasserstoff als Funktion der Größe.

Durch die Verdoppelung der Batteriegröße wird die Reichweite nicht linear erweitert, und das Fahrzeug wird mit zunehmendem Gewicht ineffizient. Li-Ionen weisen eine bessere Energiedichte als Bleisäure auf, aber keine Batterie trifft auf Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle oder auf fossile Brennstoffe, die den herkömmlichen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) speisen. Die Erweiterung der Reichweite mit einem größeren Tank ist im Vergleich zur Überdimensionierung einer Batterie nahezu vernachlässigbar. Es gibt einen Schwellenwert für die Größe und das Gewicht der Batterie in einem Fahrzeug. Das Überschreiten eines kritischen Punktes hat eine negative Rendite und die Effizienz leidet unter dem erhöhten Fahrzeuggewicht.

Energy Storage System Volume

Abbildung 1: Batteriegröße als Funktion der Reichweite.

Durch Überdimensionierung der Batterie wird die Reichweite nicht linear erweitert.

Hinweis: Der Wasserstofftank mit 35 MPa bezieht sich auf 5.000 psi.

Quelle: International Journal of Hydrogen Energy, 34, 6005-6020 (2009)

Batterien haben im Vergleich zu fossilen Brennstoffen einen niedrigen Heizwert und es ist wenig sinnvoll, einen Güterzug, ein Seeschiff oder ein großes Flugzeug mit Batterien zu versorgen. Eine Studie zeigt, dass das Ersetzen von Kerosin durch Batterien ein Flugzeug weniger als 10 Minuten in der Luft halten kann. Die Kosten sind ein weiteres Problem und das Aufladen der Batterien dauert lange. Ein Auffüllen, das schnell und bequem erfolgt, um einen Tank mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff zu füllen, ist mit einem elektrochemischen Gerät nicht möglich. Das Laden benötigt auch hohe Leistung. Eine ultraschnelle EV-Ladung verbraucht die äquivalente elektrische Leistung von fünf Haushalten. Das Aufladen einer Flotte von Elektrofahrzeugen könnte eine Stadt trüben.

Umgekehrt können fossile Brennstoffe nicht mit den Eigenschaften einer Batterie mithalten, die sauber und leise ist und mit einem Tastendruck sofort in Betrieb genommen werden kann. Obwohl fossile Brennstoffe billig und leicht verfügbar sind, muss die leichtfertige Verbrennung dieser Ressource aufhören, um unseren Planeten zu retten. Es ist eine Herausforderung, Alternativen zu finden, die umweltfreundlich, wirtschaftlich und langlebig sind. Die Batterie erfüllt diese Anforderung nur teilweise.

Die Fortschritte in der Batterietechnologie in den letzten 20 Jahren reichen nicht aus, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Das Verschieben der Grenzen der Batterie erinnert uns an ihre vielen Einschränkungen, zu denen eine niedrige Energiedichte gehört. Lange Ladezeiten, hohe Kosten und eine kurze Lebensdauer, bevor die Packungen beendet werden, oft ohne Vorwarnung. Tabelle 2 zeigt die Energiedichten üblicher Kraftstoffe einschließlich der Batterie.

Fuel Energy by mass (Wh/kg)

Wasserstoff (350 bar) 39.300

Benzin, Diesel, Erdgas (250 bar) 12.000–13.000

Körperfett 10.500

Schwarzkohle (fest), Methanol 6.000–7.000

Holz (durchschnittlich) 2.300

Lithium-Ionen-Akku 100–250

Blei-Säure-Batterie 40

Druckluft 34

Superkondensator 5

Tabelle 2: Energiedichten von fossilen Brennstoffen und Batterien.

Fossile Brennstoffe transportieren im Vergleich zu Batterien ein Vielfaches der Energie pro Masse, aber elektrische Energie kann effizienter genutzt werden als die Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Aus verschiedenen Quellen zusammengestellt. Die Werte sind ungefähr.

So verlängern Sie die Akkulaufzeit

Die Driving Range spielt beim Kauf eines Elektrofahrzeugs eine wichtige Rolle. Die Kosten spielen ebenfalls eine Rolle, aber selten wird die Batterielebensdauer erwähnt. Dies ist möglicherweise kein Problem für einen Reifen-Kicker, und der Verkäufer möchte den Käufer später auch nicht über mögliche Serviceprobleme informieren. Was sich verkauft, ist die Freude am elektrischen Antrieb, der sauber, leise und berauschend ist. Auch Steuerzuschüsse helfen.

Batterien haben eine definierte Lebensdauer und dies zeigt sich in der abnehmenden Laufzeit unserer Mobiltelefone. EV-Befürworter könnten argumentieren, dass ein Smartphone-Akku nicht mit einem EV-Akku verglichen werden kann. Diese Produkte sind völlig anders. Das stimmt, aber ironischerweise verwenden beide Lithium-Ionen-Systeme. Dieser Artikel befasst sich mit der Batterie in einem Elektrofahrzeug und einem Mobiltelefon in Bezug auf Laufzeit und Langlebigkeit.

Der Akku des Mobiltelefons ist für Endverbraucher geeignet und für maximale Laufzeit bei geringen Kosten optimiert. Die EV-Batterie hingegen wird unter Berücksichtigung der Langlebigkeit nach Industriestandards hergestellt. Die Unterschiede hören hier nicht auf und ein wesentlicher Unterschied besteht darin, wie die Energie abgegeben wird.

Ein Mobiltelefon wird am Ende eines Tages aufgeladen und die gespeicherte Energie kann vollständig genutzt werden, bis der Akku leer ist. Mit anderen Worten hat der Benutzer vollen Zugriff auf die gespeicherte Energie. Wenn der Akku neu ist, bietet das Telefon gute Laufzeiten, die jedoch mit der Zeit abnehmen. In diesem Vollzyklusmodus liefert Li-Ion ungefähr 500 Zyklen. Der Benutzer stellt sich auf die abnehmende Laufzeit ein und als Verbraucherprodukt entspricht das Ende der Akkulaufzeit häufig einem defekten Bildschirm oder der Einführung eines neuen Modells. Die eingebaute Veralterung eignet sich gut für Gerätehersteller und -händler.

Die EV-Batterie altert ebenfalls und die Kapazität schwindet, aber der EV-Hersteller muss die Batterie acht Jahre lang garantieren. Dies erfolgt durch Überdimensionierung der Batterie. Wenn die Batterie neu ist, wird nur etwa die Hälfte der verfügbaren Energie verbraucht. Dies erfolgt durch Aufladen des Packs auf nur 80% anstelle einer vollständigen Ladung und Entladen auf 30%, wenn die verfügbare Reichweite verbraucht ist. Wenn die Batterie verblasst, wird mehr Batteriespeicher benötigt. Die Reichweite bleibt konstant, ist dem Fahrer jedoch unbekannt. Der Akku wird allmählich auf ein höheres Niveau aufgeladen und tiefer entladen, um das Ausbleichen auszugleichen.

Sobald die Batteriekapazität auf 80% gesunken ist, wird der Übergrößenschutz verbraucht und das Batteriewartungssystem (BMS) führt eine vollständige Ladung und Entladung durch. Dadurch wird die EV-Batterie einem ähnlichen Belastungsgrad wie bei einem Mobiltelefon ausgesetzt, und der Fahrer bemerkt eine verringerte Reichweite. Ein Batteriewechsel kann erforderlich werden, aber die Kosten sind hoch und höher als bei einem Verbrennungsmotor.

Wenn der Akku leer ist, beginnt der EV, sich als Mobiltelefon im Hinblick auf Veralterung auszugeben. Dies kann die Zeit sein, in der der Käufer mit schnelleren und auffälligeren Modellen überflutet wird. Etwas, mit dem der Smartphone-Benutzer nur allzu vertraut ist, aber der Preis wird der Schock sein. Es ist noch zu früh, um zu sagen, wie lange eine EV-Batterie hält. Einige sagen, dass die Batterie das Auto überleben und sekundäre Anwendung in Energiespeichersystemen finden wird.

Fahrgewohnheiten und Temperatur beeinflussen auch das Altern, eine Eigenschaft, die sich zeigte, als EV-Batterien, die in einem warmen Klima betrieben wurden, vorzeitig verblassten. Es wurde festgestellt, dass das Halten einer Batterie bei erhöhter Temperatur und hohem Ladezustand mehr Stress verursacht als aggressives Fahren. Mit anderen Worten, wenn ein vollständig geladenes Li-Ion bei 30 ° C (86 ° F) und darüber gehalten wird, wird der Alterungsprozess mehr beschleunigt als bei einer moderaten Temperatur. Viele EV-Batterien verfügen über eine Flüssigkeitskühlung, um das Ausbleichen der hitzebedingten Batterie zu verringern.

Starkes Laden verkürzt auch die Batterielebensdauer. Aufgrund ihrer Größe wird die EV-Batterie auch beim Beschleunigen nur mäßig belastet. Im Vergleich dazu zieht das Mobiltelefon beim Übertragen und Knacken von Daten kontinuierlich hohen Strom aus einem kleinen Akku. Dies belastet den Akku eines Mobiltelefons stärker als das Fahren eines Elektrofahrzeugs. Eine Batterie wird auch durch die gepulste Last eines Mobiltelefons und nicht durch die Gleichstromlast eines Elektrofahrzeugs negativ beeinflusst. (Siehe BU-501: Grundlegendes zum Entladen.)

Der EV gibt die Batteriekapazität nicht an den Fahrer weiter und zeigt nur den Ladezustand (SoC) in Form einer Reichweite an. Dies geschieht teilweise aus Angst vor Kundenbeschwerden, falls die Kapazität am Ende der Garantiezeit unter das vorgeschriebene Niveau fällt. Weniger Wissen ist oft besser. Die gleiche Einschränkung gilt für einen Mobiltelefonakku, obwohl häufig Zugangscodes für das Servicepersonal verfügbar sind. Eine neue Batterie hat (sollte) eine Kapazität von 100%; 80% ist das typische Ende der Akkulaufzeit.

Dynamische Stresstests (DST) an Li-Ionen

Alle Li-Ionen-Batterien verblassen mit der Zeit und dem Gebrauch, egal ob in Konsumgütern oder für den dauerhaften industriellen Einsatz. In Abbildung 3 wird die Langlebigkeit von Li-Ionen-Akkus mit unterschiedlichen Lade- und Entladeendpunkten untersucht.

Abbildung 3: Kapazitätsverlust von Li-Ionen als Funktion der Lade- und Entladungsgrenzwerte.

Die Begrenzung des vollständigen Ladens und Entladens verlängert die Batterielebensdauer, verringert jedoch die Auslastung.

Quelle: ResearchGate - Modellierung des Abbaus von Lithium-Ionen-Batterien zur Bewertung der Zelllebensdauer

Die Li-Ionen-Akkus in der obigen Tabelle weisen eine gute Leistung auf, aber der größte Kapazitätsverlust tritt bei dem zu 100% geladenen und zu 25% entladenen Pack auf (schwarze Sterne). Das Radfahren zwischen 85% und 25% (grün) bietet eine längere Lebensdauer als das Laden zu 100% und das Entladen zu 50% (dunkelblau).

Der geringste Kapazitätsverlust tritt auf, wenn Li-Ionen auf 75% geladen und auf 65% entladen werden. Dies führt jedoch zu einer extremen Überdimensionierung und die Batterie ist nicht ausgelastet. Eine solche Praxis wird bei Satelliten angewendet, um eine hohe Zykluslebensdauer und weniger für terrestrische Anwendungen zu erreichen, da sie Kosten, Größe und Gewicht über einen vernünftigen Renditepunkt hinaus erhöht. Der dynamische Stresstest beinhaltet keinen Akku, der zu 100% aufgeladen und auf Null entladen ist, wie dies bei einem Mobiltelefon der Fall ist. Ein vollständiger Zyklus bietet die beste Batterienutzung, verringert jedoch die Lebensdauer.

In einem Labor getestete Batterien geben nicht immer die tatsächlichen Lebensbedingungen wieder, und die Ergebnisse sind in der Regel besser als im Feldgebrauch. In einer Laborumgebung werden Batterien über einen Zeitraum von einigen Monaten getaktet, häufig bei kontrollierter Temperatur und mit einem idealen Lade- und Entladezustand. Die zufällige Verwendung im wirklichen Leben erhöht die Exposition gegenüber Hitze, Vibrationen und harten Ladepraktiken.