Die Herausforderungen der Tiefentladung von Lithium-Ionen-Batterien

Ein Akku gilt als tiefentladen, wenn seine Restspannung unter ein bestimmtes Level, die sog. "Entladeschlussspannung" absinkt. Diese Spannung ist bei unterschiedlichen Zellchemien (NMC, LFP, LTO) sehr individuell ausgeprägt. Lithium-Polymer-Akkus (3,3V) bzw. NMC-Zellen (2,5 bis 3,0 V) gelten vergleichsweise als besonders anfällig für interne Strukturschäden, die bei Tiefentladung alle Zellkomponenten von der Anode bis zur Kathode betreffen.

Während die berühmten NMC-Zellen bei Tiefentladung schnell irreversible Schädigung und zu Kapazitätsverlust aufweisen, gelten LFP-Zellen (2,0V) als relativ resistent gegenüber Material- und Zellschäden, die bei Tiefentladung auftreten können.

Eine Studie über Lithium-Titanat-Batteriezellen aus dem Jahr 2022 bescheinigt auch LTO-Zellen eine besonders hohe Resistenz gegenüber Materialveränderungen bei Tiefentladungen. In der Veröffentlichung zeigten tiefentladene Zellen über einen Zeitraum von 84 Tagen erstaunlich wenig Kapazitätsverlust nach mehrfacher Tiefenentladung.

Folgende Gase sorgen für das berühmte "Aufblähen" der Pouch-Zellen: Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und vereinzelt Methan.

Die Ursachen einer Tiefentladung können vielfältig sein: Von der Batterie-Nutzung über Defekte im Batteriemanagementsystem bis hin zu extrem tiefen Temperaturen.

Im Gegensatz zu kleinen Batterien (Handy, Laptop, Powerbank) sind große, moderne Elektroautos mit ihren Batterie-Management-Systeme dafür designt, eine Tiefentladung zuverlässiger zu verhindern. Abschaltautomatiken, Schutzschalter, Ladefenster und Puffer-Notreserven sorgen dafür, dass Elektroautos im Alltag praktisch nie tiefentladen.

Andreas Schmitz über die Tiefentladung von Lithium-Zellen: https://www.youtube.com/watch?v=GEJZaHSV8ww

Mechanism of the entire overdischarge process and overdischarge-induced internal short circuit in lithium-ion batteries: https://www.nature.com/articles/srep30248

"Li-Ion Battery Deep Discharge Degradation" von Petr Prochazka et.al.: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/07401.0031ecst/pdf

Jonathon R Examining the Performance of Implantable-Grade Lithium-Ion Cells after Overdischarge and Thermally Accelerated Aging (2022): https://www.mdpi.com/1996-1073/15/4/1405

Podcastfolge mit Dr. Kai-Philipp Kairies (Accure): https://geladen.podigee.io/140-battery-intelligence

Battery-Generation-Podcastfolge mit Prof. David Howey: https://batterygeneration.podigee.io/11-battery-lifespan

Im Geladen-Podcast setzen sich Patrick Rosen und Daniel Messling mit ihren Gästen wissenschaftlich mit den Themen Energiewende, Elektromobilität, Elektroauto und Batterie auseinander. Der Podcast wird produziert vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

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