Mit der Elektromobilität erlebt auch der Markt für Li-Ionen-Akkus ein explosions­artiges Wachstum. Die Zellen müssen dabei immer höhere Kapazität und bessere Leistung aufweisen. Entscheidendes Qualitätsmerkmal für die Auswahl von Zellen ist dabei eine geringe Selbstentladung. Bisher benötigte die Prüfung der Selbstentladung eine enorme Zeit und ging dadurch mit erheblichen Kosten einher. Mit einem neuen Messansatz geht diese Messung nun deutlich schneller.

Bild 1: Messung der Selbstentladung einer Akkuzelle über die zeitliche Veränderung ihrer Klemmenspannung.

Bild 1: Messung der Selbstentladung einer Akkuzelle über die zeitliche Veränderung ihrer Klemmenspannung. Keysight

Selbstentladung als zentraler Faktor

Li-Ionen-Zellen verlieren mit der Zeit ihre Ladung, und zwar auch ohne angeschlossene Last. Bild 1 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Selbst­entladung einer Zelle: Durch den physikalisch bedingten Zelleninnenwiderstand RSD fließt ein zellinterner Selbstentladestrom ISD. Wenngleich dieser Strom recht klein ist (µA-Bereich), entlädt er die Zelle im Verlauf von Wochen und Monaten, wodurch die Zellenspannung VCELL allmählich sinkt.

Ein gewisses Maß an Selbstentladung aufgrund der chemischen Reaktionen in der Zelle ist normal. Aller­dings führt der Verlust gespeicherter Energie zu einer geringeren Kapazität der Zelle als erwünscht. Werden Zellen zu einer Batterie zusammengeschaltet, führt die unterschiedliche Selbstentladung zu einem unerwünschten Ungleichgewicht im Zellenverbund.

Eine weitere Ursache von Selbstentladung können Leckströme in der Zelle sein, die durch Verunreinigungen oder die Bildung von Dendriten entstehen. Solch ein Zustand ist nicht normal, weshalb Zellen mit erhöhter Selbstentladung besonders anfällig für einen vorzeitigen Ausfall sind.

Daher ist es wichtig, sowohl bei der Ent­wick­lung, als auch in der Produktion die Selbstentladung von Li-Ionen-Zellen zu messen und zu bewerten. Während es in der Ent­wick­lung oberstes Ziel ist, mögliche Ursachen einer Selbst­entladung zu vermeiden, muss die Produktion Zellen mit erhöhter Selbstentladung möglichst früh vom Fertigungsprozess aussondern.

Geringere Verluste verlängern die Messdauer

Die einfachste Art zur Bestimmung der Selbstentladung einer Zelle ist die Beobachtung der Klemmenspannung ohne angeschlossene Last über die Zeit (OCV, open circuit voltage). Nachteil dieser Messmethode beispielsweise per Digitalmultimeter ist die dazu erforderliche Zeit, denn es braucht eine halbe Ewigkeit, die Selbstentladung einer Zelle aus der Änderung ihrer Klemmenleerlaufspannung ableiten zu können.

Verglichen mit chemisch anders konstruierten Zellen haben Li-Ionen-Akkus eine eher geringe Selbst­entladung. Typischerweise verlieren sie etwa 0,5 bis ein Prozent ihrer Ladung pro Monat. Weil ISD so klein ist (typischerweise wenige hundert Mikroampere, je nach Zellgröße), fällt die unbelastete Zellenspannung nur sehr langsam ab. Es dauert daher Wochen und Monate, bis eine nennens­werte Verringerung des Ladungszustandes erkennbar ist, sadass sich gute Zellen mit niedriger Selbst­entladung von schlechten Zellen mit hoher Selbstentladung deutlich unterscheiden lassen.

 

Welche Schwächen die herkömmliche Messmethode hat und Details zum potentiostatischen Verfahren beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

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