Das Aufladen von Lithium-Ion-Batterien - Batteryexperts

Sven Bauer
BMZ GmbH
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www.bmz-gmbh.de
Das Aufladen von Lithium-Ion-Batterien
Es gibt nur eine Art, Batterien auf Lithium-Basis aufzuladen. Die so genannten 'WunderLade-Geräte', welche, wie gesagt wird, Batterien wieder herstellen und deren
Lebenserwartung verlängern können, gibt es nicht für die Lithiumchemie. Niemand kann
eine Superschnellladung applizieren. Die Hersteller von Lithium-Ion-Zellen haben
äusserst strikte Vorgaben für die Ladeprozedur.
Die meisten Zellen werden auf 4.20 Volt aufgeladen, mit einer Toleranz von +/0,05V/Zelle. Ein Aufladen auf nur 4.10 Volt reduziert die Kapazität um 10%, ergibt aber
eine grössere Lebenserwartung. Neuere Zellen sind nun in der Lage, auch mit einer
Ladung auf 4.20 Volt/Zelle eine gute Anzahl von Ladezyklen zu erzielen. In Bild 1 sind
Spannungs- und Stromverlauf einer Lithium-Ion-Zelle während eines Ladevorganges
dargestellt.
Bild 1: Ladevorgang
einer Lithium-IonBatterie.. Eine
Erhöhung des
Ladestromes in einem
Ladegerät für LithumIon-Batterien, kann die
Ladezeit nicht
wesentlich verkürzen.
Obwohl die
Spitzenspannung
schneller reicht wird mit
einem höheren Strom,
benötigt die Volladung
mehr Zeit.
Die Ladezeit bei den meisten Ladegeräten beträgt ca. 3 Stunden. Kleinere Batterien, wie
für Mobiltelefone eingesetzt, können mit 1C geladen werden, die grösseren Zellen 18650,
die für Laptops gebraucht werden, sollten mit 0.8C oder weniger geladen werden. Die
Effizienz der Ladung beträgt 99,9% und die Batterien bleiben kühl während dem
Ladevorgang. Die Vollladung ist erreicht, sobald die Spannungsschwelle erreicht ist und
der Strom auf 3% des eingestellten Wertes gesunken ist, oder annähernd.
Ein Vergrössern des Ladestromes verkürzt jedoch die Ladezeit kaum. Obschon die
Spitzenspannung schneller erreicht wird mit einem höheren Ladestrom, dauert das
Erreichen der Vollladung länger.
Einige Ladegeräte versprechen eine Schnellladung von Lithium-Ion-Batterien in einer
Stunde oder weniger. Solche Ladegeräte überspringen Stufe 2 und gehen direkt auf
"Ready / Bereit" am Ende der Stufe 1. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch das Ladeniveau
erst auf etwa 75%. Das Erreichen der Vollladung benötigt i.A. zweimal länger als Stufe 1.
Es wird keine Schwebeladung angelegt, da Lithium-Ion-Batterien keine Überladung
ertragen. An deren Stelle wird eine kurze Endladephase angefügt, die die kleine
Selbstentladung der Batterie und den Strombedarf der Schutzschaltung kompensiert.
Diese Endladephase muss möglicherweise alle 20 Tage wiederholt werden, je nach
Batterie. Im allgemeinen wird die Ladevorgang aktiv, wenn die offene Klemmenspannung
auf 4.05V/Zelle absinkt, und schaltet aus, wenn die Klemmenspannung 4.20V/Zelle
erreicht hat.
Was geschieht aber, wenn eine Batterie unbeabsichtigt überladen wird? Lithium-Ion ist
gebaut, um sicher zu arbeiten innerhalb ihres normalen Spannungsbereiches; sie wird
aber unstabil, wenn sie auf höhere Spannungen aufgeladen wird. Wenn über 4.30V/Zelle
aufgeladen wird, entsteht auf der Anode eine metallische Lithiumschicht, das
Kathodenmaterial beginnt zu oxidieren, verliert die Stabilität und entwickelt Sauerstoff.
Die Überladung führt zu einer Überhitzung der Zelle. Wenn dies unbeachtet bleibt, kann
es zu einer Entzündung kommen.
Es werden grosse Anstrengungen unternommen, um Überladungen und Tiefentladungen
zu vermeiden. Kommerzielle Lithium-Ion-Batterien enthalten eine Schutzschaltung,
welche die Ladespannung auf 4.30V/Zelle begrenzt, 0.1V/Zelle höher, als die
Schwellenspannung des Ladegerätes beträgt. Ein Temperaturfühler schaltet den
Ladevorgang ab, sobald die Zellentemperatur 90°C erreicht, und ein mechanischer
Druckschalter unterbricht definitiv den Ladestromkreis, wenn die Sicherheitsschwelle für
den Druck erreicht wird. Ausgenommen davon sind die Spinel-Batterien (auf
Magnesiumbasis), welche eine oder zwei kleine Zellen enthalten.
Extrem tiefe Spannungen müssen ebenfalls überwacht werden. Die Schutzschaltung ist
derart gebaut, dass sie den Stromkreis auch dann unterbricht, wenn die Batterie
unbeabsichtigterweise unterhalb 2.50V/Zelle entladen wird. Bei dieser Spannung wird die
Schutzschaltung die Batterie unbrauchbar machen, und ein Aufladen mit Hilfe eines
gewöhnlichen Ladegerätes ist nicht mehr möglich.
Es gibt verschiedene Massnahmen um Tiefentladungen zu verhindern. Die Einrichtung
schützt die Batterie durch Unterbrechen der Entladung bei Erreichen einer Spannung von
2.7 bis 3.0V/Zelle. Die Batteriehersteller liefern die Batterien mit einer Kapazität von
40% aus, um eine Selbstentladung während der Lagerung zuzulassen. Technisch bessere
Batterien beinhalten eine "Weckschaltung", wobei die Schutzschaltung erst dann einen
Stromfluss gestattet, nachdem die Batterie mit Hilfe einer kurzen Ladung reaktiviert
worden ist. Dies erlaubt eine längere Lagerung.
Trotz all diesen präventiven Massnahmen kommen Tiefentladungen immer wieder vor.
Deshalb sind die Batterieanalyser C7200 und C7400 von Cadex mit einer "Weck"Funktion (Boost) ausgestattet, die einen kleinen Ladestrom liefert, um die
Sicherheitsschaltung bei Bedarf zu reaktivieren und um die tiefentladenen Zellen wieder
mit Energie zu versorgen. Anschliessend erfolgt eine Vollladung und eine Analyse der
Batterie.
Wenn die Zelle während einiger Tage auf einer Spannung von 1.5V/Zelle geblieben ist,
sollte jedoch eine Aufladung vermieden werden. Im Innern der Zellen wurden vielleicht
durch Kupfer gewisse elektrische Verbindungen aufgebaut, die zu einem teilweisen oder
allgemeinen elektrischen Kurzschluss führen können. Die Zelle wird unstabil. Das
Aufladen einer solchen Zelle führt zu starker Überhitzung und die Sicherheit kann nicht
mehr gewährleistet werden.
Batterieexperten sind sich einig, dass das Laden von Lithium-Ion-Batterien leichter und
einfacher ist als bei Batterien auf Nickelbasis. Abgesehen vom Einhalten von kleineren
Spannungstoleranzen, kann die Ladeschaltung mit weniger Variablen, die zu
berücksichtigen sind, auskommen. Das Feststellen der Vollladung mit Hilfe einer
Spannungsbegrenzung und der Beobachtung der Stromsättigung, die bei Vollladung
eintritt, ist einfacher als die Analyse von mehreren komplexen Daten, wie sie bei NickelMetallhydrid-Batterien produziert werden. Die Ladeströme sind weniger kritisch und
können variieren. Ein nur kleiner Strom erlaubt noch immer eine saubere Definition der
Vollladung. Die Batterie benötigt einfach einen längeren Ladevorgang. Das Fehlen der
letzten kurzen Ladung, sowie der Schwebeladung hilft ausserdem, das Ladegerät zu
vereinfachen. Das Beste von allem ist, dass kein Memory-Effekt besteht, sondern dass
eigentlich nur die Alterung eine Schwierigkeit darstellt.
Die Ladeprozedur von Lithium-Ion-Polymer ist ähnlich jener von Lithium-Ion. Diese
Batterien verwenden ein Gel-Elekrtolyt, um die Leitfähigkeit zu verbessern. In den
meisten Fällen verwenden Lithium-Ion und Lithium-Ion-Polymer dieselben Ladegeräte.