Wie kann das Leben von Lithium-Batterien verlängert werden

Die Batterieforschung konzentriert sich stark die Lithiumchemie, so stark, dass man vermuten kann, alle tragbaren Geräte der Zukunft würden mit Lithium-Ion-Batterien gespeist. In mehreren Sparten ist Lithium-Ion den auf Nickel oder Blei basierenden Chemien überlegen, und das Resultat davon ist, dass die Anwendungen für Lithium-Ion-Batterien ständig zunehmen

Lithium-Ion ist zur Zeit noch nicht voll ausgereift und Verbesserungen werden laufend erreicht. Alle sechs Monate werden neue Metall- und chemische Kombinationen getestet, um die Energiedichte zu erhöhen und die Einsatzzeit zu verlängern. Verbesserungen betreffs der Langlebigkeit jeder Änderung werden jedoch erst in einigen Jahren bekannt sein.
A lithium-ion battery provides 300-500 discharge/charge cycles. T

Eine Lithium-Ion-Batterie ergibt 300-500 Entlade/Ladezyklen total. Die Batterie bevorzugt eher Teilentladungen als Vollentladungen. Häufige Vollentladungen sollten nach Möglichkeit vermieden werden. Dagegen sollte die Batterie öfter aufgeladen werden, oder verwenden Sie eine grössere Batterie. Der Memoryeffekt ist kein Thema, auch wenn ausserplanmässige Ladungen durchgeführt werden.

Obschon Lithium-Ion-Batterien keine Leistungseinbussen wegen dem Memoryeffekt erleiden, zeigen Batterien mit einer eingebauten Füllanzeige einen von Ingenieuren so genannten 'Digital Memory'. Dies ist der Grund dazu: Kurze Entladungen mit entsprechender Aufladung ergeben nicht die notwendige periodische Kalibrierung für die Synchronisation der Füllanzeige mit dem Ladezustand der Batterie. Eine bewusst durchgeführte Vollentladung mit nachfolgender Aufladung nach 30 Ladevorgängen korrigiert dieses Problem. Ein Herunterladen der Batterie bis zum Abschaltpunkt des Geräts erfüllt dieses Kriterium. Wird dies nicht beachtet, wird die Füllanzeige entscheidend unzuverlässig. (Mehr darüber in 'Wahl der richtigen Batterie für tragbare Computer', Teil Zwei).

Die Alterung von Lithium-Ion-Batterien ist ein Thema, das oft vernachlässigt wird. Batterien auf Lithiumbasis haben eine Lebenserwartung von 2 bis 3 Jahren. Die Uhr beginnt zu ticken, sobald die Batterie die Fabrikation verlässt. Der Kapazitätsverlust zeigt sich bereits durch einen höheren Innenwiderstand, hervorgerufen durch Oxidation. Schliesslich erreicht der Zellenwiderstand einen Punkt, wo er die gespeicherte Energie nicht mehr abgeben kann, auch wenn die Batterie genügend geladen ist. Das Ansteigen des Innenwiderstandes gilt ebenfalls für Batterien mit Lithium-Ion auf Kobaltbasis, eine Chemie, die in Laptops und Mobiltelefonen zur Anwendung kommt. Die eine kleinere Energiedichte aufweisende Lithium-Ion-Batterie auf Manganbasis, die auch als Spinel-Batterie bekannt ist, hält den Innenwiderstand während der gesamten Lebenszeit bei, verliert jedoch an Kapazität auf Grund der chemischen Zersetzung.

Die Geschwindigkeit der Alterung von Lithium-Ion-Batterien wird bestimmt durch die Temperatur und den Ladezustand. Figur 1 zeigt den Kapazitätsverlust als Funktion von diesen zwei Parametern.

Temperatur
40% Ladeniveau (empfohlen bei Lagerung der Batterie)
100% Ladeniveau(typischer Ladezustand im Gebrauch)
0°C
98% nach 1 Jahr
94% nach 1 Jah
25°C
96% nach 1 Jahr
80% nach 1 Jahr
40°C
85% nach 1 Jahr
65% nach 1 Jahr
60°C
75% nach 1 Jahr
60% nach 3 Monaten

Figur 1: Permanenter Kapazitätsverlust von Lithium-Ion-Batterien als Funktion der Temperatur und des Ladezustandes
Hohe Ladeniveaus und hohe Temperaturen beschleunigen des permanenten Kapazitätsverlust. Chemische Verbesserungen haben die Leistungen von gelagerten Lithium-Ion-Batterien erhöht.

Es gibt kein Mittel, erschöpfte Lithium-Ion-Batterien zu regenerieren. Eine momentane Verbesserung der Leistung wird erreicht durch Erwärmen der Batterie. Dadurch wird der Innenwiderstand verkleinert, aber nach dem Abkühlen wird der vorherige Zustand wieder erreicht.

Wenn möglich sollte die Batterie an einem kühlen Ort mit 40% Ladezustand gelagert werden. Eine gewisse Energiereserve ist nötig, um die Batterie und ihre Schutzschaltung betriebsbereit zu halten, während einer längeren Lagerung. Die schlechteste Kombination ist Vollladung und hohe Temperatur. Dieser Fall tritt ein, wenn das Mobiltelefon oder die Reservebatterie in einem heissen Auto bleiben. Das Verwenden eines Laptops mit Netzspeisung ergibt ähnliche Temperaturprobleme. Wenn eine Batterie voll geladen ist, steigt die Innentemperatur während des Gebrauches auf ca. 45°C.

Das Herausnehmen der Batterie aus dem Laptop wenn dieser vom Netz gespeist wird, schützt die Batterie gegen Überhitzung, aber verschiedenen Laptop und Batteriehersteller warnen davor. Sie sagen, dass Staub und Feuchtigkeit den Laptop beschädigen können. Der Verkäufer wird froh sein, wenn er ihnen eine Ersatzbatterie verkaufen kann, vielleicht etwas früher als wirklich nötig.

Die Frage wird aber öfter gestellt, ob der Laptop vom Netz getrennt werden sollte, wenn er nicht gebraucht wird. Bei Lithium-Ion ist dies kein Thema. Sobald die Batterie voll geladen ist, fliesst kein zusätzlicher Ladestrom mehr. Es wird jedoch empfohlen, den Laptop über Nacht abzuschalten, weil Wärme die Batterie beschädigt.

Eine grosse Anzahl von Lithium-Ion-Batterien wird noch während der Garantiezeit entsorgt. Einige der defekten Batterien werden an ein Servicecenter oder an den Hersteller gesandt, wo sie regeneriert werden. Studien zeigen, dass 80-90% der zurückgeschickten Batterien repariert und wieder eingesetzt werden können.

Gewisse Lithium-Ion-Batterien versagen wegen zu tiefer Entladung. Wenn die Entladung zu einer Zellenspannung von unterhalb 2,5V/Zelle führt, öffnet die interne Schutzschaltung und die Batterie scheint tot zu sein. Eine Aufladung mit dem Originalladegerät ist unmöglich. Gewisse Batterieanalyser (Cadex) haben die Fähigkeit, mit einer Boost (Weck-)-Funktion, die Schutzschaltung einer derart 'defekten' Batterie zu reaktivieren, und so den Ladevorgang wieder zu ermöglichen. Wenn die Zellenspannung jedoch unter 1,5V/Zelle gefallen ist, und während einigen Tagen in diesem Zustand verbleibt, sollte auf eine Wiederaufladung aus Sicherheitsgründen verzichtet werden. Um solche Pannen zu verhindern, sollte eine Batterie nie voll entladen gelagert werden. Laden Sie die Batterie vor dem Einlagern etwas auf und laden Sie sie dann voll auf vor dem neuerlichen Gebrauch.

Alle PC (Personal Computers) und einige andere elektronische Geräte, enthalten eine Stützbatterie für den internen Speicher. Diese Batterie ist normalerweise eine kleine, nicht aufladbare Lithium-Zelle, welche einen kleinen Strom liefert, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Der PC benützt diese Batterie, um gewisse Informationen speichern zu können, auch wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Es sind dies die Eintragungen im BIOS, das aktuelle Datum und die Uhrzeit, sowie die Zuteilungsressourcen des Plug and Play Systems. Die Speicherfunktion soll die Lebenserwartung einer Stützbatterie um einige Jahre verkürzen. Gewisse Leute sagen ein bis zwei Jahre. Bleibt der PC am Netz angeschlossen, obwohl er ausgeschaltet ist, sollte die Stützbatterie auf der PC-Mutterplatine für 5 bis 7 Jahre gut sein. Ein PC sollte eine rechtzeitige Warnung anzeigen, wenn diese Stützbatterie schwach wird. Eine nicht operationelle Stützbatterie führt zum Verlust des volatilen Speichers und gewisse Einstellungen können verloren gehen. Nach ersetzen der Stützbatterie sollte der PC wieder operationell sein.

Einfache Richtlinien

  • Vermeiden Sie häufige Vollentladungen, da diese zu zusätzlichem Stromverbrauch der Stützbatterie führt. Häufige Teilentladungen mit vielen Aufladungen sind besser für Lithium-Ion-Batterien als eine Tiefentladung. Das Aufladen einer teilweise entladenen Lithium-Ion-Batterie schadet der Batterie nicht, da kein Memoryeffekt vorkommt. (In dieser Beziehung ist Lithium-Ion verschieden von Batterien auf Nickelbasis). Die kurze Batterielebenszeit in einem Laptop ist eher durch die Wärme begründet als durch zahlreiche Lade/Entlade-Zyklen..

  • Obwohl frei von Memory, sollte bei Lithium-Ion-Batterien bewusst immer nach 30 Zyklen eine Vollentladung durchgeführt werden, um die Batterie mit der Füllanzeige zu kalibrieren. Das Entladen der Batterie mit dem Gerät erfüllt diesen Zweck. Wird dies nicht beachtet, wird die Füllanzeige entscheidend unzuverlässig. Die Batterielebenszeit wird dadurch nicht beeinflusst.

  • Lithium-Ion-Batterien sollten kühl gehalten werden. Heisse Fahrzeuge sind zu vermeiden. Für längere Einlagerung sollte die Batterie einen Ladezustand von ca. 40% aufweisen.

  • Ziehen Sie in Betracht, die Batterie aus einem Laptop zu entfernen, wenn er ab Netz gespeist wird. (Einige Laptophersteller befürchten, dass sich Staub und Feuchtigkeit im Innern des Batteriefaches ansammelt).

  • Verzichten Sie auf den Kauf einer Ersatzbatterie für späteren Gebrauch. Beachten Sie das Herstellungsdatum. Kaufen Sie keine alten Batterien, auch wenn sie zu günstigen Preisen angeboten werden.


Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.