1. Was ist Spannungshysterese?
Spannungshysterese bezeichnet das Phänomen, dass die Kurven für den Verlauf des Elektrodenpotenzials in Abhängigkeit von der Kapazität während des Lade- und Entladevorgangs nicht übereinstimmen und somit eine Spannungshystereseschleife bilden. Spannungshysterese führt zu Energieverlusten und einer reduzierten Lade-/Entladeeffizienz beim Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus.
Der Gleichgewichtspunkt der Ladekurve liegt unterhalb der Klemmenspannung, während der Gleichgewichtspunkt der Entladekurve oberhalb der Klemmenspannung liegt. Die Hauptursache für dieses Phänomen sind die Lade-, Entlade- und Stofftransportprozesse der Doppelschicht.
Ein vollständiger Lade-Entlade-Zyklus (vollständige Ladung und Entladung) der Batterie erzeugt die primäre Hystereseschleife; ein unvollständiger Lade-Entlade-Zyklus (Teilladung und -entladung) die sekundäre Hystereseschleife. Die beiden Kurven der primären Hystereseschleife bilden die Randkurven aller Hystereseschleifen und somit die größte geschlossene Schleife. Die Lade-Entlade-Kurven der sekundären Hystereseschleife liegen innerhalb dieser Randkurven und konvergieren gegen sie.
2. Ursachen der Spannungshysterese in Lithium-Ionen-Batterien
Die Hauptursachen für die Spannungshysterese in Lithium-Ionen-Batterien sind der Entropieeffekt, mechanische Spannungen und mikroskopische Verzerrungen im aktiven Elektrodenmaterial während der Lithium-Insertion und -Extraktion. Lithifizierung und Delithiierung weisen unterschiedliche Gitterkonstanten auf, wodurch mechanische Spannungen in der Phasengrenze entstehen und somit ein Potenzialabfall innerhalb eines einzelnen Partikels beim Übergang vom Laden zum Entladen verursacht wird.
Auch thermodynamische Effekte sind ein Faktor, der nicht ignoriert werden kann.
3. Welche Aspekte werden durch den Hystereseeffekt beeinflusst?
Gemäß dem Relaxationsprinzip sollte die Spannung nach dem Laden und Entladen am jeweiligen Ladezustand (SOC) gegen den wahren Leerlaufspannungswert (OCV) konvergieren. Aufgrund der Hysterese sinkt die Spannung nach dem Entladen jedoch stets unter den wahren OCV-Wert, während sie nach dem Laden über diesen Wert steigt. Dies führt zu einem erheblichen Fehler bei der Messung und Berechnung der Polarisationsspannung und beeinträchtigt somit die Vorhersage von Batteriespannung und -leistung.
