Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFBSchnell aufladbar, hohe Reichweite und über Jahrzehnte nutzbar – von einer solchen Batterie träumt jeder Fahrer eines Elektrofahrzeugs. Warum diese Anforderungen jedoch nur schwer miteinander vereinbar sind, wird deutlich, wenn man ihre Einflussfaktoren in Relation setzt. Im dritten Blogbeitrag unserer Informationskampagne »SkillandScaleUp« nehmen wir die drei wichtigsten Leistungsparameter genauer unter die Lupe, die je nach Anwendungsgebiet über die Wahl der richtigen Zelle entscheiden: Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Zyklenstabilität.
Skill and Scale up: Die Balance zwischen Schnelladefähigkeit, Energiedichte und Langlebigkeit
Energiedichte
Der wohl wichtigste Leistungsindikator einer Batteriezelle ist ihre Energiedichte. Sie bezeichnet das Verhältnis von Speicherkapazität zu Spannung, also die Energiemenge pro Volumen. Bei der Herstellung von Batterien nimmt die Energiedichte ab, da dem aktiven Material, das für die Energie verantwortlich ist, inaktive Komponenten wie das Gehäuse hinzugefügt werden. Hier ist Vorsicht geboten: Die Energiedichte sollte nur auf der gleichen Systemebene verglichen werden, also z.B. Zelle mit Zelle, Material mit Material oder Elektrode mit Elektrode.
Insbesondere die Zellchemie bestimmt die Energiedichte. Hier spielt zum Beispiel das Verhältnis von Anoden- zu Kathodenkapazität eine Rolle, das in der Fachsprache als N/P-Verhältnis bezeichnet wird. Je kleiner es ist, desto höher ist die Energiedichte. Gefährlich wird es, wenn mehr Lithium in der Zelle ist, als von der Anode aufgenommen werden kann, denn dann kommt es zum Lithium-Plating. Damit das nicht passiert, werden in realen Zellen die Anoden immer größer ausgelegt, also mit einem N/P-Verhältnis größer als 1. Das überschüssige Anodenmaterial trägt aber nicht zur Energie der Zelle bei, sondern ist nur zur Sicherheit da. Daher ist es am besten, den Überschuss so gering wie möglich zu halten. Hinsichtlich des Zelldesigns können eine optimale Raumausnutzung in Batteriepacks sowie größere Zellformate zu einer höheren Energiedichte beitragen. Batterien mit hoher Energiedichte können zwar mehr Energie speichern, benötigen aber oft längere Ladezeiten, um vollständig aufgeladen zu werden.
Energiedichte
Die Grafik zeigt, welche Einflussfaktoren für die Leistungsindikatoren in welchem Maße ausschlaggebend sind und auf welchen Parameter es je nach Anwendungsgebiet mehr ankommt.
Schnellladefähigkeit
Zyklenstabilität
Schnellladefähigkeit
In einer sich schnell verändernden Welt werden Geschwindigkeit und Zeitersparnis in allen Lebensbereichen zu entscheidenden Faktoren. Vom Smartphone über das Elektroauto bis hin zur regenerativen Energieerzeugung spielt die Fähigkeit, Energie schnell und effizient zu nutzen, eine wichtige Rolle bei der Wahl des richtigen Batterietyps für die jeweilige Anwendung. Die Schnellladefähigkeit wird maßgeblich durch das Zelldesign und die Zellstruktur bestimmt.
Beim Zelldesign beeinflussen die Zellgröße, die Leitfähigkeit der Zellkomponenten, die Elektrodendicke und das Design der Stromkollektoren die Ladegeschwindigkeit. Die Stromaufteilung innerhalb der Zelle kann durch die Anzahl und Anordnung der Stromabnehmer (Batterietablare) beeinflusst werden. Auch die Wärmebildung und -verteilung innerhalb der Batteriezelle beeinflusst die Schnellladefähigkeit, insbesondere bei großen Zellen: Sowohl im Betrieb als auch während des Ladevorgangs wird Wärme freigesetzt. Dies kann sich negativ auf die Leistungsfähigkeit der Zelle auswirken.
Im Zellaufbau ist die Porosität der Elektrode ein wichtiger Parameter für die Schnellladefähigkeit, da eine hohe und gleichmäßige Porosität einen guten, d.h. in diesem Fall schnellen, Ionentransport gewährleistet. Dieser funktioniert in beide Richtungen: Die Lithium-Ionen können schnell abgegeben werden - die Batterie ist leistungsfähig - und schnell wieder aufgeladen werden. Je poröser die Elektrode ist, desto geringer ist allerdings die Energiedichte. Hier muss also zwischen Schnellladefähigkeit und Energiedichte abgewogen werden.
Zyklenstabilität
Die Lebensdauer einer Batterie, d.h. über wie viele Ladezyklen sie eine konstante Leistung behält, wird im Fachjargon als Zyklenfestigkeit bezeichnet. Um diese zu ermitteln, wird im Labor getestet, wie oft die Batterie geladen und entladen werden kann, bis sie nur noch 80 Prozent ihrer Kapazität hält. Neben zellchemischen Faktoren ist vor allem das Nutzungsverhalten der Batterie entscheidend für eine hohe Zyklenfestigkeit. Ein gutes Lade- und Temperaturmanagement während der Nutzung sowie technische Sauberkeit im Herstellungsprozess wirken sich positiv auf die Lebensdauer von Batterien aus.
Schnellladefähigkeit und Zyklenstabilität stehen in einem Spannungsverhältnis: Einerseits kann die Anzahl der Ladezyklen, die eine Batterie durchläuft, die Schnellladefähigkeit beeinflussen. Zum anderen nutzt sich das Material mit der Zeit ab und die Schutzschicht auf der Elektrodenoberfläche - die sogenannte SEI (Solid Electrolyte Interphase) - wächst immer weiter an. Diese kann die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektroden verlangsamen und somit die Ladegeschwindigkeit verringern. Auf der anderen Seite führt schnelles Laden potentiell eher zu einer hohen Wärmeentwicklung und birgt damit ein höheres Risiko für unerwünschte Nebenreaktionen.
Insgesamt besteht ein Trade-off zwischen Energiedichte und Zyklenstabilität. Batterien mit hoher Energiedichte können eine kürzere Lebensdauer haben und sind anfälliger für Kapazitätsverluste während der Lade-/Entladezyklen. Hersteller von Batterien und Batteriesystemen arbeiten an der Optimierung dieses Gleichgewichts, um Batterien mit ausreichender Energiedichte und gleichzeitig guter Zyklenstabilität zu entwickeln, insbesondere für Anwendungen, bei denen Langlebigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend sind.