Im Winter ist eine der größten Sorgen der Besitzer von Elektrofahrzeugen die reduzierte Reichweite nach vollständiger Aufladung; externe Energiespeicher haben Schwierigkeiten, überhaupt eine grundlegende Stromversorgung zu gewährleisten.
Hierbei handelt es sich nicht um eine Alterung der Batterie oder ein Qualitätsproblem, sondern um eine “normale Reaktion” von Lithiumbatterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen – niedrige Temperaturen führen direkt zu einer Verringerung der Kapazität und der Leistung von Lithiumbatterien.
Um das Prinzip der Batteriealterung zu verstehen, wollen wir zunächst kurz die Funktionsweise einer Lithiumbatterie betrachten.
Die Kernfunktion einer Lithiumbatterie zur Energiegewinnung liegt im “Transportprozess der Lithiumionen”:
Beim Laden wandern Lithium-Ionen (Li⁺) von der positiven zur negativen Elektrode, wo sie von der Graphit-Elektrode gespeichert werden. Beim Entladen wandern diese Lithium-Ionen zurück von der negativen zur positiven Elektrode. Auf diesem Hin- und Rückweg fließen Elektronen, erzeugen Strom und versorgen das Gerät mit Energie. Der gesamte Prozess ähnelt einer Gruppe fleißiger “Träger”, die Energie hin und her transportieren, wobei der Elektrolyt als Transportkanal und die Elektroden als Umschlagplätze dienen.“
Unter normalen Bedingungen (Raumtemperatur 20–25 °C) sind diese “Transportzellen” voller Energie und bewegen sich reibungslos, wodurch die Batterie eine stabile Energieabgabe ermöglicht. Sobald die Temperatur jedoch sinkt, insbesondere unter 0 °C, werden die Transportzellen träge oder fallen sogar aus, was die Hauptursache für die Batteriealterung ist.
Grundprinzipien: Drei Herausforderungen für Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen
Herausforderung 1: Elektrolyt-“Einfrieren”, Blockierung von Transportkanälen
Der Elektrolyt ist der “Transportkanal” für Lithiumionen, vergleichbar mit den “Blutgefäßen” einer Lithiumbatterie. Seine Fließfähigkeit bestimmt direkt die Migrationsgeschwindigkeit der Lithiumionen. Die Viskosität des Elektrolyten steigt mit sinkender Temperatur stark an – genau wie Wasser bei Kälte dickflüssiger wird und gefriert. Bei niedrigen Temperaturen wird der Elektrolyt zähflüssig, verfestigt sich sogar teilweise, wodurch die Ionenleitfähigkeit deutlich reduziert und in manchen Fällen die Kanäle vollständig blockiert werden.
Das ist, als würde eine breite, glatte Straße plötzlich zu einem schlammigen Pfad werden; die “Transporter” (Lithiumionen) haben Mühe, sich fortzubewegen, ihre Effizienz wird stark reduziert, und die Energieausbeute der Batterie nimmt natürlich ab.
Herausforderung 2: Lithium-Ionen werden träge, Ein- und Ausfuhr aus Transferstationen wird schwierig
Die positiven und negativen Elektroden einer Lithiumbatterie fungieren als “Transferstationen” für Lithiumionen. Beim Laden müssen Lithiumionen in die negative Elektrode eingelagert und beim Entladen wieder aus ihr herausgelöst werden. Dieser Prozess erfordert die Überwindung eines gewissen Widerstands, der als Ladungstransferimpedanz bezeichnet wird. Gemäß der Arrhenius-Gleichung verlangsamt sich bei niedrigen Temperaturen die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und die Effizienz der Lithiumionen-Einlagerung und -Entnahme, was zu einem deutlichen Anstieg der Ladungstransferimpedanz führt. Vereinfacht gesagt: Niedrige Temperaturen machen Lithiumionen “träge”. Selbst wenn die Kanäle nicht vollständig blockiert sind, sind sie nicht bereit, die Energie für den Ein- oder Austritt in die “Transferstation” aufzuwenden. Dadurch können einige Lithiumionen nicht am Energietransfer teilnehmen, was die Batteriekapazität verringert.
Herausforderung 3: Der SEI-Film “verdickt sich”, und es könnten “gefährliche Dendriten” wachsen.
Beim ersten Ladevorgang einer Lithiumbatterie bildet sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ein dünner Festelektrolyt-Grenzschichtfilm (SEI-Film). Dieser wirkt wie eine Schutzschicht, die verhindert, dass der Elektrolyt mit der negativen Elektrode reagiert, und gleichzeitig den ungehinderten Durchtritt von Lithiumionen ermöglicht – ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer der Batterie. Niedrige Temperaturen können diese Schutzschicht jedoch beschädigen: Zum einen verringern sie die Stabilität des SEI-Films, wodurch einige Komponenten brechen und der Widerstand für den Lithiumionentransport steigt. Zum anderen kann die Einlagerungsrate von Lithiumionen in die negative Elektrode bei niedrigen Temperaturen nicht mit der Abscheidungsrate mithalten, sodass überschüssige Lithiumionen metallisches Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode ausfällen und Lithiumdendriten bilden. Gleichzeitig lagern sich die Reaktionsprodukte zwischen Lithium und Elektrolyt auf dem SEI-Film ab, wodurch dieser dicker wird und der Lithiumionentransport weiter behindert wird. Noch gefährlicher ist, dass Lithiumdendriten weiterwachsen und, sobald sie die SEI-Schicht und den Batterieseparator durchdringen, einen Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Elektroden verursachen. Dies führt zu Überhitzung, Aufblähung und sogar zur Verbrennung oder Explosion der Batterie. Dies ist der Hauptgrund für die Sicherheitsrisiken beim Laden bei niedrigen Temperaturen. Darüber hinaus ist die Verdickung der SEI-Schicht irreversibel. Langfristiger Einsatz bei niedrigen Temperaturen verkürzt die Lebensdauer der Batterie erheblich – eine Batterie, die ursprünglich 1000 Ladezyklen ermöglichte, schafft bei langfristigem Einsatz bei niedrigen Temperaturen möglicherweise nur noch etwa 500 Zyklen und tritt vorzeitig in die Alterungsphase ein.“
Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal: Tieftemperaturdegradation – reversibel oder irreversibel?
Viele Menschen befürchten, dass eine schnelle Entladung im Winter die Batterie dauerhaft schädigen könnte. Diese Sorge ist unbegründet. Die durch niedrige Temperaturen verursachte Alterung von Lithiumbatterien lässt sich in zwei Kategorien einteilen: reversible und irreversible Alterung, die sich deutlich unterscheiden.
Reversible Degradation ist die häufigste Form der Degradation und wird hauptsächlich durch niedrige Temperaturen verursacht, die die Viskosität des Elektrolyten erhöhen, die Lithiumionenmigration verlangsamen und den Ladungsübertragungswiderstand steigern. Diese Art der Degradation ähnelt einem “Winterschlaf”: Durch einfaches Erwärmen der Batterie auf Raumtemperatur (20–25 °C) und eine kurze Ruhezeit erlangt der Elektrolyt seine Fließfähigkeit zurück, die Lithiumionen ihre Aktivität wiedererlangen und die Batteriekapazität und -leistung normalisieren sich im Wesentlichen wieder, ohne die Lebensdauer der Batterie zu beeinträchtigen.
Irreversible Degradation hingegen wird hauptsächlich durch anhaltendes Laden und Entladen bei niedrigen Temperaturen verursacht. Dies führt zu einer übermäßigen Verdickung des SEI-Films, Lithiumdendritenwachstum oder irreversibler Zersetzung des Elektrolyten. Diese Art der Degradation ist dauerhaft; die Batterie wird quasi “verletzt”. Selbst nach Erreichen von Raumtemperatur kann die Kapazität nicht vollständig wiederhergestellt werden, und mit der Zeit beschleunigt dies die Alterung der Batterie.
