Lebensdauer einer Lithiumbatterie in einer stationären Anwendung

26 Aug 2021

Einer der Hauptgründe für einen Umzug nach Lithiumbatterien ist die Akkulaufzeit ein Vielfaches dessen, was mit Blei-Säure-Batterien Dennoch liegen nur begrenzte Betriebsdaten vor. USV-Anwendungen Da Lithiumbatterien heute erhältlich sind, ist es verständlich, dass sich potenzielle Nutzer fragen, wie lange sie tatsächlich halten.

Um diese Frage zu beantworten, muss man zunächst verstehen, wie Lithiumbatterien unter normalen Umständen altern. Sie weisen zwei weitgehend unabhängige Alterungsmechanismen auf: die Kalenderlebensdauer und die Zyklenlebensdauer.

Die kalendarische Lebensdauer beschreibt, wie die Kapazität abnimmt und der Widerstand mit der Zeit zunimmt. Die Betriebstemperatur der Batterie ist dabei der wichtigste Faktor für ihre Lebensdauer. Hitze beschleunigt den Alterungsprozess, während niedrigere Temperaturen ihn minimieren.

Die Zyklenlebensdauer ist an sich leicht verständlich, doch die Prognose ihrer Lebensdauer ist nicht so einfach, wie es scheint. Denn verschiedene Merkmale des jeweiligen Zyklus bestimmen, wie stark dieser die Batterie schädigt.

Ein Standardtest in der Lithiumindustrie besteht darin, die Batterie innerhalb einer Stunde vollständig zu entladen und anschließend innerhalb einer Stunde bei Raumtemperatur (25 °C) wieder vollständig aufzuladen. Bei hochwertigen Zellen ist dies ein einfacher Test, der Tausende von Zyklen ermöglicht, bevor die Zelle 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht. Die Zyklenlebensdauer ist jedoch typischerweise stark von den Lade- und Entladeraten sowie anderen Faktoren abhängig.

Eine Zusammenfassung der wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer beeinflussen, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Zyklusparameter	Einfluss auf die Zykluslebensdauer	Beschreibung
Lade-/Entladerate	Bedeutsam	Das Laden oder Entladen einer Batterie mit höheren Raten als für sie ausgelegt ist, verkürzt ihre Lebensdauer erheblich.
Abflusstiefe	Mäßig	Das teilweise Entladen einer Batterie vor dem Wiederaufladen ist weniger schädlich als das vollständige Entladen.
Temperatur	Mäßig	Obwohl wärmere Akkus einen geringeren Widerstand und eine niedrigere Eigenerwärmung aufweisen, sind kühlere Betriebstemperaturen im Allgemeinen besser für die Lebensdauer. Viele Lithium-Ionen-Akkus reagieren zudem empfindlich auf das Laden bei niedrigen Temperaturen (üblicherweise unter dem Gefrierpunkt), was jedoch für Rechenzentrumsanwendungen in der Regel kein Problem darstellt.
Ladezustandsfenster (SOC)	Unerheblich	Bei Verwendung eines Akkus mit teilweiser Entladung ist das wiederholte Laden und Entladen nahe dem Vollladezustand (100 % SOC) schädlicher als die Festlegung eines Betriebsfensters für Teilladezustände.

Abbildung 1: Zusammenfassung der wichtigsten Faktoren, die die Zyklenlebensdauer von Lithiumbatterien beeinflussen.

In Rechenzentrumsanwendungen ist die kalenderbasierte Lebensdauer in der Regel der Hauptfaktor, da Batterieladezyklen selten sind. Eine Ausnahme bilden USV-Batterien, die zur Unterstützung des Energiemanagements vor Ort oder zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen für das lokale Stromverteilungsnetz eingesetzt werden. Diese Anwendungen fallen nicht in den Rahmen dieses Dokuments. Im Normalbetrieb befinden sich die Batterien den größten Teil ihrer Betriebsdauer im Leerlauf.

Zur Bestimmung der Kalenderlebensdauer lagern Zellhersteller Batterien typischerweise über längere Zeiträume bei unterschiedlichen Temperaturen und überprüfen regelmäßig deren Restkapazität. Die grafische Darstellung dieser Daten ermöglicht die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Zeit, Temperatur und Restkapazität. Nach der Erfassung einer ausreichenden Datenmenge lassen sich die Daten an eine allgemein anerkannte Gleichung zur Berechnung der Kalenderlebensdauer anpassen, die sich in jahrzehntelanger Praxis mit Lithium-Ionen-Batterien bewährt hat. Ein Beispiel für ein Diagramm zur Kalenderlebensdauer einer Lithiumbatterie (NCM) ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 zeigt, dass eine NCM-Batterie nach etwa zehn Jahren bei einer Temperatur von 23 °C (73 °F) noch 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität aufweist (für die getestete Lithiumbatterie). Andere Lithiumbatterien, wie beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Batterien, zeigen unterschiedliche Degradationsraten.

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