Die Lebensdauer einer Zelle ist ein umfassender technischer Indikator, der die Zeit oder die Anzahl der Zyklen bestimmt, die eine Zelle unter bestimmten Bedingungen durchlaufen kann, um bis zu einem festgelegten Schwellenwert abgebaut zu werden.
Die Alterung von Batteriezellen wird im Wesentlichen in zwei Grundtypen unterteilt: zyklische Alterung und kalendarische Alterung.
Zyklisches Altern: Dies bezieht sich auf die Anzahl vollständiger Lade-Entlade-Zyklen, die eine Batterie bei wiederholter Nutzung durchläuft und deren Kapazität sich allmählich auf etwa 801 T³ T ihrer Anfangskapazität verringert. Verschiedene Lithiumbatterietypen weisen unterschiedliche Zyklenlebensdauern auf. Zu den Hauptmechanismen gehören der Verlust von aktivem Lithium und aktiven Materialien. Der Verlust von aktivem Lithium resultiert primär aus dem kontinuierlichen Wachstum und der Reparatur des SEI-Films auf der Oberfläche der negativen Elektrode. Dieser Prozess verbraucht irreversibel Lithiumionen im Elektrolyten. Unter ungünstigen Bedingungen wie niedrigen Temperaturen und hoher Laderate können Lithiumionen zudem metallisches Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode ausfällen und so irreversibles “totes Lithium” bilden. Der Verlust an aktiven Materialien bezeichnet das Versagen der aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden aufgrund von strukturellen Schäden oder Kontaktverlust.
Kalenderalterung: Dies bezeichnet die Zeit, die eine Batterie benötigt, um das Ende ihrer Lebensdauer zu erreichen, selbst wenn sie nicht benutzt wird (offener Stromkreis). Es handelt sich um einen zeitabhängigen, langsamen Abbauprozess, der von Umgebungsbedingungen (insbesondere der Temperatur) beeinflusst wird. Im Wesentlichen umfasst er kontinuierliche, schwache Nebenreaktionen innerhalb der Batterie, wie beispielsweise die extrem langsame Verdickung des SEI-Films, die eine geringe Menge an aktivem Lithium verbraucht; eine leichte Zersetzung des Elektrolyten; und langsame Reaktionen an der Grenzfläche zwischen dem positiven Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten. Hohe Temperaturen können diese Nebenreaktionen deutlich beschleunigen.
Die Alterungsrate von Batteriezellen ist nicht konstant; sie wird maßgeblich von verschiedenen äußeren Belastungen beeinflusst.
Temperatur: Dies ist der wichtigste Umweltfaktor. Hohe Temperaturen beschleunigen das Wachstum der SEI-Schicht, die Elektrolytzersetzung und alle anderen Nebenreaktionen drastisch und verkürzen so die Batterielebensdauer. Niedrige Temperaturen (insbesondere während des Ladevorgangs) erhöhen jedoch das Risiko der Lithiumplattierung und führen ebenfalls zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust.
Lade-/Entladerate: Zu hohe Lade-/Entladeströme führen zu vielfältigen Belastungen. Beim Laden kann ein hoher Strom dazu führen, dass sich Lithiumionen ablagern, bevor sie in die Graphitschicht eingebaut werden können; beim Entladen kann ein hoher Strom die Elektrodenmaterialstruktur beeinträchtigen und möglicherweise den SEI-Film beschädigen, was dessen Reparatur beschleunigt und den Lithiumverbrauch erhöht.
Verteidigungsministerium und Stressbereich: Häufige tiefe Lade-/Entladezyklen (z. B. zwischen 0% und 100% Ladezustand) schädigen die Batterie schneller als flache Lade-/Entladezyklen (z. B. zwischen 40% und 80% Ladezustand). Auch das Halten der Batterie unter Vollladung oder hoher Spannung über längere Zeiträume beschleunigt die Materialalterung und die Elektrolytzersetzung.
Die mechanistischen Unterschiede zwischen NMC/NCA-Batterien und LFP-Batterien führen direkt zu Unterschieden in ihrer tatsächlichen Leistung:
Unterschiede in der Zykluslebensdauer: LFP-Batterien weisen aufgrund ihrer robusten und stabilen Kathodenmaterialien typischerweise eine längere Lebensdauer (über 2000 Zyklen) auf und eignen sich daher besser für Anwendungen, die häufige Lade-Entlade-Zyklen und eine Langzeitnutzung erfordern. NMC/NCA-Batterien haben eine vergleichsweise kürzere Lebensdauer (ca. 500–1500 Zyklen), ihre Energiedichte ist jedoch höher.
Leistungsunterschiede im Alter: Die Alterung von NMC/NCA-Batterien äußert sich häufig in einem signifikanten, gleichzeitigen Kapazitätsverlust und einem erhöhten Innenwiderstand, da die Zerstörung der Kathodenstruktur sowohl die Anzahl der Lithiumionen verringert als auch den Widerstand gegen die Lithiumionenmigration erhöht. Die Alterung von LFP-Batterien zeigt sich anfänglich durch einen langsamen Kapazitätsverlust aufgrund ihrer stabilen Kathodenstruktur; später kann der Anstieg des Innenwiderstands signifikant werden, hauptsächlich aufgrund der Verdickung des SEI-Films auf der Anode.
Unterschiede in der Nutzungsstrategie: Für NMC/NCA-Akkus: Vermeiden Sie die Lagerung im voll geladenen Zustand, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen. Für den täglichen Gebrauch wird empfohlen, die Ladegrenze auf 80%–90% einzustellen, um die Belastung des Kathodenmaterials zu reduzieren. Für LFP-Akkus: Obwohl sie relativ weniger empfindlich auf eine vollständige Ladung reagieren, sollte eine längere Lagerung im voll geladenen Zustand dennoch vermieden werden, insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen.
