Wie viele Ladezyklen unterstützt der Akku?

Eines der Dinge, die Sie beim Kauf eines batteriebetriebenen Geräts berücksichtigen, ist die Akkulaufzeit. Der Akku hält nur so lange, wie seine Ladezyklen. Einige Batterien haben mehr Ladezyklen und halten daher länger als andere.

Der Ladezyklus ist der Prozess, bei dem ein Geräteakku vollständig geladen und dann fast vollständig entladen wird. Mit der Abnahme der Ladezyklen verschlechtert sich der Akku, und schließlich benötigt Ihr Gerät einen neuen Akku.

Wir werden untersuchen, wie viele Ladezyklen verschiedene Batterietechnologien haben, bevor sie sich verschlechtern und ineffizient werden. Sie erfahren auch, welche Batterietechnologien für verschiedene Geräte am besten geeignet sind.

Ladezyklus von Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterien

Mobile Geräte wie Smartphones und Laptops verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Gleichzeitig nutzen auch Elektrofahrzeuge diese Batterietechnologie. Sie finden diesen Batterietyp auch in Heimspeicherlösungen.

Diese Batterien speichern mehr Energie auf kleinem Raum und sind unglaublich leicht. Sie haben auch eine der besten Lebensdauern. Die Ladezyklen hängen von einigen Faktoren ab, liegen aber im Durchschnitt bei 500 bis 1.000 Zyklen.

Ladephase

Lithium-Ionen-Akkus laden in zwei Phasen. Während der meisten Ladezeit sorgt ein konstanter Strom dafür, dass Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode wandern. Der Akku speichert die wandernden Ionen in der Graphitschicht. Jede Batteriezelle erreicht 4,2 V.

Die zweite Ladephase beginnt, wenn einzelne Batteriezellen die Spannungsschwelle (4,2 V pro Zelle) erreicht haben. Nun liefert das Ladegerät eine konstante Spannung an den Akku und reduziert dabei allmählich die Stromzufuhr.

Entladephase

Ihr Akku entlädt sich während der Nutzung. Lithium-Ionen kehren zur Kathoden-Elektrode zurück, wodurch der Akku elektrischen Strom liefert. Wenn ein Gerät Strom aus dem Akku zieht, sinkt die Spannung stark ab.

Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)-Batterien

Diese Batterien sind leistungsstärker als Li-Ionen-Batterien. Sie können erwarten, dass sie Energie für leistungsstärkere Geräte und Werkzeuge liefern, wie Elektrofahrzeuge und Elektrowerkzeuge. Sie finden sie auch in Heimspeicherlösungen.

LiFePO4-Batterien bieten beeindruckende Ladezyklen von 2.000 bis 5.000Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben jedoch eine geringere Energiedichte. Daher sind sie nicht so kompakt wie Li-Ionen-Batterien.

LiFePO4-Ladephase

Wie sein Pendant, der Li-Ionen-Akku, verwendet diese Batterietechnologie zwei Ladephasen. Zuerst erfolgt die Phase mit konstantem Ladestrom. Ihr Ladegerät liefert einen kontinuierlichen Strom an Ihren Akku, bis einzelne Zellen 3,65 V erreichen.

Ihr Akku verwendet diese Ladephase, bis er zu 90 % geladen ist. Danach liefert Ihr Ladegerät eine konstante Spannung, um die Ladephase abzuschließen. Der vom Ladegerät gelieferte Strom nimmt in der zweiten Phase allmählich ab.

Lithium-Ionen bewegen sich durch einen Elektrolyten zur Anode. Gleichzeitig reisen Elektronen über einen externen Stromkreis zur Anode. Die Ionen werden in der Anodenstruktur gespeichert.

Entladung der LiFePO4-Batterie

Der Entladevorgang ist das Gegenteil des Ladevorgangs. Lithium-Ionen kehren zur Kathode zurück, während Elektronen extern fließen, um ein angeschlossenes Gerät mit Strom zu versorgen. Wenn sich die Ionen wieder in die Kathodenmaterialstruktur einfügen, geben sie Energie frei.

Blei-Säure-Batterien

Diese Batterien haben weniger Ladezyklen von 300 – 500. Die Automobilindustrie und Notstromsysteme verwenden Blei-Säure-Batterien zur Stromversorgung. Wahrscheinlich verwenden Sie diese Batterie zur Speicherung von Solarenergie. Diese Batterietechnologie nutzt drei Ladephasen.

Hauptladung

Die Batterie verlässt sich in bis zu 80 % der Ladezeit auf diese Phase. Ihr Batterieladegerät liefert maximalen Strom bei konstantem Fluss, bis einzelne Zellen 14,4 V erreichen. Die Batterie lädt in dieser Phase schnell.

Absorptionsladung

Ihre Batterie zieht in dieser Phase eine konstante Spannung von ihrem Ladegerät. Der gelieferte Strom sinkt allmählich, während die verbleibenden 20 % der Ladekapazität abgeschlossen werden. Diese Phase ist wichtig, um eine Überladung zu verhindern, die die Batterielebensdauer verkürzen kann.

Erhaltungsladung

Die Batterie reduziert die Spannungsbewertung in einzelnen Zellen auf 13,2 – 13,8 V, um eine Überladung zu verhindern. In dieser Ladephase ist Ihre Blei-Säure-Batterie bereit für die Notstromversorgung.

Entladung der Blei-Säure-Batterie

Blei reagiert mit der Schwefelsäure und bildet Bleisulfat, wobei Elektronen freigesetzt werden, die Strom erzeugen. Die Batteriespannung sinkt allmählich, wenn ein angeschlossenes Gerät Energie aus Ihrer Blei-Säure-Batterie entnimmt.

Nickel-Cadmium (NiCd)-Batterien

Sie können erwarten, dass Sie Ihre NiCd-Batterie 500 – 1.000 Mal aufladen können, bevor sie an Effizienz verliert. Das Erstaunliche an dieser Batterie ist, dass sie kurze Stromstöße mit hoher Leistung liefern kann. Sie funktioniert auch bei extremen Temperaturen hervorragend, was sie zur bevorzugten Wahl für Luftfahrt- und Medizintechnik macht.

Sie haben jedoch Umweltbedenken wegen des giftigen Cadmiumgehalts. Außerdem haben sie einen schlechten Memory-Effekt und können an Effizienz verlieren, wenn Sie sie nicht vor dem Wiederaufladen vollständig entladen.

Ladephase

Die Batterie verfügt über eine Schnellladefunktion, da Sie diese Batterie in 2 – 1 Stunde vollständig aufladen können. Die Temperatur Ihrer Batterie steigt beim Laden an, wodurch Ihr Ladegerät erkennt, wann es das Laden beenden muss.

Gleichzeitig überwacht das Ladegerät Spannungseinbrüche, um das Laden der Batterie zu stoppen. Wenn Ihre Batterie vollständig geladen ist, liefert das Ladegerät eine optimale Erhaltungsladung oder eine niedrige Erhaltungsladung, um die durch Selbstentladung verlorene Energie zu ersetzen.

Entladephase

Sie können diese Batterie vollständig entladen, ohne sofortige Schäden zu riskieren. Allerdings sollten Sie sie regelmäßig vollständig entladen, um den Memory-Effekt zu verhindern. Ihre angeschlossenen Geräte entnehmen dieser Batterie eine konstante Spannung, was sie zu einer der zuverlässigsten alternativen Energiequellen macht. 

Warum Ladezyklen bei verschiedenen Batterietechnologien variieren

Batterien haben unterschiedliche Ladezyklen, weil sie verschiedene Ladephasen verwenden, die auf ihre chemische Technologie abgestimmt sind. Zum Beispiel laden Lithium-Ionen-Batterien durch eine andere chemische Reaktion als Blei-Säure-Batterien.

Außerdem hängt der Ladezyklus von den strukturellen und betrieblichen Faktoren der Batterie ab. Wie Sie bereits gesehen haben, haben einige Batterien mehr Ladezyklen, bevor ihre Energiespeicherkapazität stark abnimmt.

Batteriechemie und elektrochemische Stabilität

Lithium-Ionen-Batterien zeigen nach 500 bis 1.000 Ladezyklen eine Leistungsabnahme. Diese Batterien haben eine höhere Energiedichte. Sie verschleißen jedoch schneller als LiFePO4-Batterien aufgrund höherer Elektrodenbelastung.

Im Gegensatz dazu verschleißen LiFePO4-Batterien nach 2.000 bis 5.000 Ladezyklen. Sie verfügen über eine sehr stabile Kristallstruktur, die länger hält als Lithium-Ionen-Batterien.

Blei-Säure-Batterien können je nach Entladungstiefe 300 bis 1.000 Ladezyklen halten. Sie verschleißen jedoch durch Sulfatierung und Wasserverlust.

Nickel-Cadmium-Batterien haben die drittbeste Lebensdauer und halten 1.000 bis 1.500 Zyklen. Obwohl diese Batterie nicht wie andere Typen degradiert, leidet sie unter dem Memory-Effekt.

Entladungstiefe und Zyklusstress

Die Anzahl der vollständigen Lade- und Entladezyklen einer Batterie hängt ebenfalls von der Entladungstiefe ab. Wenn eine Batterie zu 100 % voll war und jetzt zu 40 % voll ist, beträgt die Entladungstiefe 60 %. Betrachten Sie die Entladungstiefe als die Energiemenge, die ein Gerät aus Ihrer Batterie entnommen hat.

Batterien werden normalerweise während der Ladephase belastet. Je länger die Ladephase dauert, desto mehr Stress wird auf die chemische Struktur der Batterie ausgeübt. Daher verursacht eine tiefere Entladung mehr Stress und verschleißt die Batterie schneller.

Ideale Entladungstiefe für Batterien:

• Lithium-Ionen-Batterien: 80 %

• Lithium-Eisenphosphat-Batterien: 80 – 90 %

• Blei-Säure-Batterien: 50 %. Aber gelegentlich können Sie sie bis zu 80 % entladen.

• Nickel-Cadmium-Batterien: 20 – 30 %, um die Batterielebensdauer zu verlängern.

Das Überschreiten der Entladungstiefe (DoD) belastet Ihre Batterie und verkürzt ihre Lebensdauer. Wenn Ihre Batterie von Grund auf neu aufgeladen werden muss, verbrauchen Sie die Ladezyklen schnell.

Strukturelle Veränderungen in der Batterie

Batterien verlieren im Laufe der Zeit auch an Energiekapazität aufgrund von Veränderungen in der Elektrodenstruktur. Lithium-Ionen- und Lithium-Eisenphosphat-Batterien erfahren strukturelle Veränderungen durch Lithiumabscheidung. Gleichzeitig leidet die Kathoden-Elektrode unter Kathodenrissen.

Blei-Säure-Batterien hingegen erfahren Sulfatierung, die strukturelle Veränderungen an ihren Elektroden verursacht. Dadurch liefern sie nicht mehr ausreichend Leistung und die Batterie wird weniger effizient.

Bei NiCd-Batterien tritt außerdem ein Memory-Effekt auf, der dazu führt, dass sie weniger elektrische Leistung erzeugen. Eine Veränderung der Elektrodenstruktur belastet die internen Komponenten der Batterie und verringert die Lebensdauer Ihrer Energiespeicherlösung.

Temperaturempfindlichkeit

Hitze kann die Ladezyklen einer Batterie reduzieren, da sie den Batterieverscheiß verursacht. Wärme verringert die elektrische Leitfähigkeit der internen Komponenten und baut den Elektrolyten ab. Lithium-Ionen-Batterien sind besonders hitzeempfindlich.

Lithium-Eisenphosphat-Batterien vertragen Hitze besser. Gleiches gilt für Nickel-Cadmium-(NiCd)-Batterien. Ihre Li-Ionen-Batterie kann Temperaturen von 40 °C oder weniger aushalten. LiFePO4-Batterien hingegen vertragen bis zu 60 °C.

Blei-Säure-Batterien vertragen moderate Hitze. Allerdings verlieren sie Wasser, was die Ladezyklen reduzieren kann. NiCd-Batterien können extreme Temperaturen besser als die beiden anderen Batterietypen verkraften.

Auswirkungen von Laden und Entladen

Batterien erzeugen während des Ladens und Entladens Wärme. Die Menge der Wärmeentwicklung variiert jedoch je nach Batterietechnologie. Li-Ionen- und LiFePO4-Batterien erzeugen weniger Wärme und können über viele Ladezyklen hinweg sehr gut funktionieren.

Andererseits erzeugen Blei-Säure-Batterien während der Ladephase mehr Wärme, was zu schnellerem Verschleiß führt. Mit zunehmender Wärme nimmt die Effizienz der Batterien ab. Li-Ionen-Batterien sind 90–95 % effizient, und LiFePO4 erreicht eine Effizienz von 95–98 %.

NiCd-Batterien haben eine Effizienz von 70–90 %, während Blei-Säure-Batterien 75–85 % erreichen. Die Kontrolle externer Wärmequellen kann die Ladezyklen erhöhen. Laden Sie Batterien daher unter idealen Bedingungen, um ihre Lebensdauer zu verbessern.

Endgültiges Urteil

Der Ladezyklus einer Batterie variiert je nach Batterietechnologie. Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben tendenziell mehr Ladezyklen als andere Batterietypen. Allerdings gehen alle Batterien irgendwann ihre Ladezyklen aus, besonders bei tieferer Entladungstiefe. Daher sollten Sie Ihre Batterie innerhalb der idealen Entladungstiefe halten, um ihre Lebensdauer zu verlängern.