Ist es schlecht, eine LiFePO4-Batterie zu entladen?

Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)-Batterien haben ein breites Anwendungsspektrum. Sie treiben Elektrofahrzeuge an und speichern Solarenergie für den Hausgebrauch. Sie finden diese Batterien auch in einigen Unterhaltungselektronikgeräten wie Smartphones und Laptops.

Eine LFP-Batterie enthält Lithiumsalz als Elektrolyt. Das am häufigsten verwendete Lithiumsalz ist Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6). Einige Batterien verwenden Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) als Elektrolyt.

Normalerweise verringert sich die Batterieladung, wenn Sie ein Gerät anschließen, das Elektronen vom Kathodenpol zieht. Sie sollten eine Tiefentladung vermeiden, um Batterieschäden zu verhindern. Wir werden LiFePO4-Batterien genauer betrachten.

Eigenschaften von LiFePO4-Batterien

LiFePO4, auch LFP-Batterien genannt, sind eine Art von Lithium-Ionen-Batterien, die in vielen Elektrofahrzeugen und Elektronikgeräten verwendet werden. Während alle Lithium-Ionen-Batterien Graphitmaterial für die Anode verwenden, nutzen sie unterschiedliche Materialien für die Kathode. LFP-Batterien verwenden speziell Lithium-Eisenphosphat für den Kathodenpol.

Lithium-Eisenphosphat-Chemie

Während des Entladevorgangs liefert die LFP-Batterie elektrische Energie. Chemische Reaktionen in der Batterie bewirken, dass Lithium-Ionen vom Anodenpol (dem negativen Pol) zum Kathodenpol durch den Elektrolyten wandern. 

Ein Mangel an Lithium-Ionen in der Anode führt dazu, dass Elektronen vom Anoden- zum Kathodenseite durch einen Stromkreis fließen. Dieser Elektronenfluss erzeugt elektrische Energie, die Geräte mit Strom versorgt, die an die LFP-Batterie angeschlossen sind.

Wenn die elektrische Leistung abnimmt, laden Sie die Batterie auf, um ihre Energiereserve zu erhöhen. Während des Ladevorgangs bewegen sich Lithium-Ionen durch den Elektrolyten vom Kathoden- zum Anodenseite. Mehr Ionen an der Anode bewirken, dass Elektronen aus einem externen Stromkreis zum Kathoden fließen. Mehr Elektronen, die in den Kathoden gedrückt werden, bedeuten mehr Energie, um angeschlossene Geräte während der Entladung zu versorgen.

LiFePO4-Batterie vs. andere Lithium-Ionen-Batterien

LFP-Batterien werden in zwei Hauptbereichen mit anderen Lithium-Ionen-Batterien verglichen:

Lebensdauer (Zyklenfestigkeit)

LiFePO4-Batterien können mehr Lade- und Entladezyklen bewältigen, bevor sie eine signifikante Kapazitätsminderung erfahren. Wenn Sie eine Batterie möchten, die länger als andere Lithium-Ionen-Batterien zuverlässige elektrische Leistung liefert, ist eine LFP-Batterie die beste Wahl.

Energiedichte

Obwohl LFP-Batterien eine längere Lebensdauer haben, speichern sie nicht so viel Energie wie andere Lithium-Ionen-Batterien. Andere Batterietypen wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) speichern mehr Wattstunden Energie pro Kilogramm oder Liter.

Zum Beispiel speichern Lithium-Kobaltoxid-Batterien 150-200 Wh Energie pro Kilogramm, während LiFePO4 90-160 Wh Energie pro Kilogramm speichert. Gleichzeitig halten LiNiMnCoO2- oder NMC-Batterien erstaunliche 200-300 Wh Energie pro Kilogramm.

Vorteile von LiFePO4-Batterien

LFP-Batterien übertreffen andere Lithium-Ionen-Batterien in weiteren Bereichen. Neben einer längeren Lebensdauer bieten LFP-Batterien folgende Vorteile:

Thermische Stabilität

LiFePO4-Batterien können auch bei hohen Temperaturen zuverlässig elektrische Energie liefern. Außerdem erzeugen LFP-Batterien während selbstständiger Reaktionen nicht so viel Wärme wie andere Lithium-Ionen-Batterien.

Schnellladeleistung

Bessere thermische Stabilität ermöglicht es einer LFP-Batterie, pro Minute mehr Elektronen aus einem externen Stromkreis aufzunehmen. Erstaunlich ist, dass eine LFP-Batterie dabei nicht an Leistung verliert. 

Ausgezeichnete Sicherheitsbilanz

Da LiFePO4-Batterien während des Lade- und Entladevorgangs keine zusätzliche Wärme erzeugen, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sie überhitzen, Feuer fangen oder explodieren.

Zuverlässige Stromversorgung

Eine LFP-Batterie liefert konstant Spannung an das angeschlossene Gerät, bis die Batterie vollständig entladen ist. Die Spannungsausgabe sinkt nicht, während die Batterieladung stürzt ab und garantiert eine zuverlässige Leistung während der Entladephase.

Typische Anwendungen von LiFePO4-Batterien

LiFePO4-Batterien werden verwendet, um Elektrofahrzeuge anzutreiben, erneuerbare Sonnenenergie zu speichern und Elektronik wie Smartphones und Powerbanks mit Strom zu versorgen.

• Elektrofahrzeuge (EVs): Einige Elektrofahrzeuge nutzen LiFePO4-Batterien, um den Elektromotor anzutreiben. Außerdem versorgt die Batterie auch das Infotainmentsystem, die Scheinwerfer und die Klimaanlage mit Strom.
• Speicherung erneuerbarer Energien: Solarpanels, die an LiFePO4-Batterien angeschlossen sind, fügen Elektronen zum Kathodenanschluss hinzu und laden so die Batterie auf. Wenn es draußen dunkel ist, fließen die Elektronen über einen externen Stromkreis aus dem Kathoden heraus.
• Tragbare Elektronik: LFP-Batterien versorgen auch Geräte wie Laptops, Tablets und Powerbanks. Diese Batterien treiben auch kabellose Werkzeuge wie Staubsauger und Elektrosägen an.

Das Konzept der Batterientladung

Batterientladung bedeutet, die Batterie zu entladen, indem ein Gerät angeschlossen wird, das elektrische Ladung aus der Batterie zieht. Lithium-Ionen bewegen sich vom Anoden- zum Kathodenbereich durch den Elektrolyten. Die Ionen verbinden sich mit der Eisenphosphat-Verbindung (FePO4) am Kathoden, wodurch Elektronen aus dem Kathoden zum angeschlossenen Gerät fließen.

Arten der Batterientladung

Das Entziehen von Elektronen aus der Batterie entlädt die Ladung. Geräte, die an die Batterie angeschlossen sind, können eine LiFePO4-Batterie entladen. Allerdings kann eine Batterie auch selbst Elektronen verlieren, was zur Selbstentladung führt. Es gibt verschiedene Arten der Entladung:

Teilentladung

Teilentladung tritt auf, wenn ein Teil der elektrischen Ladung (Elektronen) aus der Batterie fließt und somit noch etwas elektrische Ladung verbleibt. 

Das bedeutet, dass beim Wiederaufladen der LiFePO4-Batterie noch etwas Ladung übrig bleibt. Man kann sich die Teilladung als eine teilweise genutzte, aber nicht vollständig entladene Batterie vorstellen. Die Batterie könnte vor dem Wiederaufladen noch zu 30 % geladen sein.

Tiefentladung

Tiefentladung tritt auf, wenn Sie fast die gesamte im Akku gespeicherte elektrische Ladung verbrauchen. Wenn Sie ein Gerät an eine LiFePO4-Batterie anschließen und es 95 % der elektrischen Ladung verbraucht, haben Sie die Batterie einer Tiefentladung ausgesetzt.

Diese Art der Entladung sollte vermieden werden, da sie die Ladekapazität der Batterie verringert. Sie belastet auch die Batteriematerialien bis an ihre Grenzen, was zu einer verkürzten Batterielebensdauer führt.

Selbstentladung

Alle Batterien verlieren auch ohne Nutzung Ladung. Die chemischen Reaktionen in den Batterien führen zum Elektronenverlust. Die Lagerung der Batterie bei hohen Temperaturen kann die chemischen Reaktionen beschleunigen und die Selbstentladungsrate erhöhen.

Vergleich mit anderen Batterietypen hinsichtlich der Entladung

LiFePO4-Batterien haben eine langsamere Selbstentladungsrate als andere Batterietypen. Eine LFP-Batterie kann mehr elektrische Ladung speichern, wenn sie nicht verwendet wird, was sie zur besten Wahl für die Speicherung elektrischer Energie macht.

Während viele Lithium-Ionen-Batterien bei Teilentladung über Tausende von Ladezyklen eine ausgezeichnete Leistung beibehalten, verschlechtern sich einige, wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), schneller. LiFePO4-Batterien schneiden bei Teilentladung besser ab und halten länger.

Wir empfehlen keine Tiefentladung, da sie die Batterie beschädigt. LiFePO4-Batterien vertragen jedoch Tiefentladungen besser und halten länger.

Auswirkungen des Entladens von LiFePO4-Batterien

Das Entladen einer LFP-Batterie (oder jeder Lithium-Ionen-Batterie) beeinflusst die Lebensdauer und die Ladekapazität der Batterie. 

Auswirkungen auf die Batterielebensdauer

Die Entladungstiefe (DoD) ist der Prozentsatz der bisher genutzten Ladung. Zum Beispiel hat eine Batterie, die zu 80 % genutzt wurde, eine Entladungstiefe von 80 %. Die DoD beeinflusst die Lebensdauer des Ladezyklus. Eine Teilentladung von 30 % bis 50 % kann zu einem Aufladen führen, LiFePO4-Batterie Tausende Male, bevor eine Leistungsverschlechterung eintritt.

Andererseits führt eine Tiefentladung von 80 % bis 100 % zu einer schnellen Erschöpfung des Ladezyklus, was bedeutet, dass die Batterie viel schneller altert. Halten Sie Ihre LFP-Batterie in einem teilentladenen Zustand, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Wenn Sie die Ladung einer LiFePO4-Batterie erschöpft haben, können Sie die Batterieleistung durch sorgfältigen Umgang mit der Batterie wiederherstellen. Überprüfen Sie vor dem Aufladen, ob jede Zelle 2,5 Volt liefert. Verwenden Sie außerdem ein Niedrigstromladegerät, um die elektrische Ladung zu erhöhen.

Stellen Sie sicher, dass Ihr Niedrigstromladegerät allmählich die Spannung an die Batterie anpasst, bis jede Zelle eine Spannung von 3,0 V ausgibt. Danach wechseln Sie zu einem normalen Batterieladegerät, um die Energie auf volle Kapazität zu erhöhen.

Auswirkungen auf die Leistung

Das Entladen der Batterie erschöpft die aktiven Materialien in der LiFePO4-Batterie. Infolgedessen hat die Batterie eine reduzierte Fähigkeit, elektrische Spannung zu erzeugen. Eine Tiefentladung verringert die Spannungsausgabe bei jeder Lithium-Ionen-Batterie.

Außerdem verringert das Entladen der Batterie die Kapazität der Batterie, mehr elektrische Ladung zu speichern. Wenn Sie eine Batterie tief entladen, bleiben einige Lithium-Ionen in den internen Strukturen der Batterie gefangen. Diese Ionen sind „tote Lithium-Ionen“, weil sie nicht durch den Elektrolyten wandern, um an den Lade- und Entladezyklen teilzunehmen, was dazu führt, dass die Batterie weniger elektrische Ladung speichern kann.

Gleichzeitig erhöht das Entladen Ihrer Batterie den Innenwiderstand der Batterie. Eine Tiefentladung verursacht chemische Veränderungen im Elektrolyten. Der Elektrolyt behindert dann die Bewegung der Ionen zwischen den Polen, was zu elektrischem Widerstand innerhalb der Batterie führt.

Empfehlungen für das Batteriemanagement

Batteriemanagement ist eine Praxis, die die optimale Funktion der Batterie während ihrer Lebensdauer sicherstellt. Eine Möglichkeit, die optimale Leistung der Batterie zu erhalten, besteht darin, sie sicher zu entladen.

Ideale Entladepraktiken für LiFePO4-Batterien

Eine Teilentladung von 30 % bis 50 % ist ideal, da sie die Lebensdauer der Batterie maximiert. Sie sollten vermeiden, Ihre Batterie häufig tief zu entladen, da dies zur Bildung toter Lithium-Ionen führt, die die elektrische Leistung verringern. Halten Sie die Entladungstiefe (DoD) zwischen 20 % und 80 %, um einen stabilen Ladezustand zu erhalten.

Beste Praktiken zur Verlängerung der Batterielebensdauer

Neben dem Teilentladezyklus sollten Sie eine Überladung Ihrer Batterie vermeiden. Sie können ein Ladegerät verwenden, das das Laden der Batterie bei 100 % Kapazität automatisch stoppt. Eine Überladung kann den Elektrolyten abbauen und die elektrische Leitfähigkeit beschädigen.

Es ist auch wichtig, die Batterie bei günstigen Temperaturen zu halten. Halten Sie die Batterie von direktem Sonnenlicht oder Wärmequellen fern. Extreme Temperaturen wie Frost oder hohe Hitze beschleunigen den Abbau des Elektrolyten.

Beim Gebrauch Ihrer Batterie sollten Sie darauf achten, die Ladung nicht unter 80 % zu entladen. Sie sollten die Batterie bei einer Entladungstiefe von 80 % wieder aufladen, um eine schnelle Erschöpfung der Ladezyklen zu vermeiden. 

Da Lithium-Ionen ihre Lebensdauer verkürzen können, möchten Sie deren Bildung verhindern. Das periodische Laden und Entladen der Batterie verringert die Wahrscheinlichkeit der Bildung toter Ionen. Wenn Sie Ihre Batterie für die spätere Verwendung lagern möchten, stellen Sie zunächst sicher, dass sie in einem kühlen und trockenen Lagerfach aufbewahrt wird.

Zweitens, stellen Sie sicher, dass sie teilweise geladen ist. Die Lagerung der Batterie bei 50 % Ladung verhindert die Tiefentladung, die auftreten würde, wenn Sie sie bei 100 % Ladekapazität lagern.

Das Fazit

Die LiFePO4-Batterie ist anderen Lithium-Ionen-Batterien überlegen. Sie hält extremen Temperaturen besser stand und nimmt mehr Elektronen auf, um schneller zu laden. Außerdem haben LFP-Batterien eine längere Lebensdauer. Allerdings speichern sie nicht so viel Energie pro Volumen oder Masse wie andere Lithium-Ionen-Batterien. 

Aber sie sind eine großartige Energiequelle für tragbare Elektronik wie Smartphones und Elektrowerkzeuge. Sie können das Beste aus ihnen herausholen, besonders wenn Sie vermeiden, die Batterie vor dem Aufladen vollständig zu entladen.