Was ist die Batterielebensdauer? Definition, Berechnung, Faktoren und wie man sie verlängern kann

Mit der rasanten weltweiten Verbreitung von Energiespeichersystemen, Elektrofahrzeugen und Lithium-Ionen-Technologien ist die Lebensdauer von Batterien zu einem der wichtigsten Indikatoren für die Leistungsfähigkeit von Batterien geworden. Ob in der Unterhaltungselektronik, in Elektrofahrzeugen oder in der stationären Energiespeicherung, die Zyklusdauer bestimmt direkt die Lebensdauer, den wirtschaftlichen Wert und die langfristige Zuverlässigkeit einer Batterie.

Das Wissen um die Lebensdauer von Batterien hilft den Anwendern, verschiedene Batterieoptionen zu bewerten, und ermöglicht es Systementwicklern, langlebigere, wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Lösungen zu entwickeln.

Dieser Artikel gibt einen vollständigen Überblick darüber, was die Lebensdauer von Batterien ist, wie sie gemessen wird, warum sie wichtig ist, welche Faktoren sie beeinflussen und wie man die Lebensdauer von Batterien in realen Anwendungen verlängern kann.

Was ist eine PCS?

Die Lebensdauer einer Batterie bezieht sich auf die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, die eine Batterie unter bestimmten Testbedingungen durchlaufen kann, bevor ihre Kapazität oder Leistung auf einen bestimmten Prozentsatz ihres ursprünglichen Wertes sinkt. Der in der Industrie übliche Grenzwert ist 80%. Dies bedeutet, dass die Lebensdauer einer Batterie als abgeschlossen gilt, wenn ihre Kapazität von ursprünglich 100% auf 80% sinkt.

Bei einer Batterie mit einer Anfangskapazität von 1000Ah ist ihre Lebensdauer die Anzahl der Zyklen, die sie durchläuft, bevor ihre Kapazität auf 800Ah sinkt.

Ein vollständiger Zyklus ist definiert als der Vorgang, bei dem die kumulative Entladung 100% der Nennkapazität der Batterie erreicht, unabhängig von der Anzahl der einzelnen Ladungen.

Ein Beispiel: Wenn Sie an einem Tag 60% der Kapazität des Akkus verbrauchen, ihn über Nacht wieder vollständig aufladen und am nächsten Tag 40% verbrauchen, beträgt die kumulative Entladung 100% - damit ist ein Zyklus abgeschlossen. Einfach ausgedrückt: Ein Zyklus ist abgeschlossen, wenn die gesamte entladene Energie 100% der Batteriekapazität entspricht.

Warum die Lebensdauer der Batterie wichtig ist?

Für Benutzer, die die Leistung maximieren, die Degradation minimieren und die Lebensdauer verlängern wollen, ist das Verständnis der Bedeutung der Zykluslebensdauer entscheidend. In der Unterhaltungselektronik, bei Elektrofahrzeugen oder bei Energiespeichersystemen für Privathaushalte und Energieversorger entscheidet die Lebensdauer direkt über die langfristige Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Nutzbarkeit.

Auswirkungen auf Produktlebensdauer und Benutzererfahrung

Eine längere Zyklusdauer bedeutet, dass die Batterie über einen längeren Zeitraum zuverlässig arbeiten kann, bevor ihre Kapazität auf ein unbrauchbares Niveau sinkt.

• Elektronik: Bietet eine stabilere Batterielebensdauer und eine längere Lebensdauer des Produkts.
• Energiespeichersysteme : Die Lebensdauer bestimmt die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Projekts.
• EVs: Die Batterie ist das teuerste Bauteil. Eine längere Lebensdauer verbessert die Gesamtwirtschaftlichkeit und stärkt das Vertrauen der Verbraucher.

Daher wirkt sich die Lebensdauer nicht nur auf die Benutzerfreundlichkeit aus, sondern bestimmt auch den langfristigen Wert des Geräts.

Ermittelt die Gesamtbetriebskosten (TCO)

Die Lebensdauer wirkt sich direkt auf die langfristigen Betriebskosten aus.

Ein Beispiel: Wenn in einem ESS die Lebensdauer der Batterie nur 2.000 Zyklen beträgt, muss sie möglicherweise innerhalb eines 10-jährigen Projektlebenszyklus ausgetauscht werden, was zu hohen Wartungskosten führt.

Erreicht die Lebensdauer 6.000 Zyklen oder mehr, so sind zwar die Anfangsinvestitionen höher, aber die langfristigen LCOE niedriger, was eine bessere Wirtschaftlichkeit bedeutet.

GODE's 1907 ESS, mit gesundem Temperaturmanagement, kontrolliertem Ladezustandsbereich (SOC) und angemessenen C-Raten kann eine Lebensdauer von mehr als 6.000 Zyklen erreichen. Dies macht sie zu einer stabilen Stromquelle für Microgrids und netzunabhängige Anwendungen und stellt eine langfristige Investition mit hoher Rendite dar.

Ökologische und humanitäre Belange

Eine längere Lebensdauer bedeutet weniger Batteriewechsel, weniger Rohstoffverbrauch, eine geringere Umweltbelastung und eine bessere Übereinstimmung mit globalen Nachhaltigkeitszielen.

Langlebige Batterien tragen dazu bei:

• Geringere Häufigkeit des Batteriewechsels
• Geringere Belastung der Ressourcen bei der Herstellung
• Verringerung des zu entsorgenden Abfallvolumens
• Geringere Nachfrage nach dem Abbau kritischer Mineralien wie Lithium, Nickel und Kobalt

Die Frage der Kobaltressourcen verdient besondere Aufmerksamkeit. In der Demokratischen Republik Kongo befinden sich mehr als 50% der weltweiten Kobaltreserven, und Kobalt ist ein wichtiges Material für Energiebatterien und Elektronik. Die ASM-Sektoren sind jedoch oft mit schweren Ausbeutung der Kinderarbeit.

Die Verlängerung der Batterielebensdauer verringert nicht nur die Abhängigkeit von kritischen Mineralien wie Kobalt, sondern stellt auch eine verantwortungsvolle humanitäre Haltung zum Schutz von Kindern und gefährdeten Gruppen dar.

Berechnung der Batterielebensdauer

Die Batterielebensdauer ist nicht einfach die Summe der Ladezeiten, sondern ein wissenschaftliches Prüfverfahren, das auf verbindlichen Normen, strengen Verfahren und klaren Kriterien beruht. Nach dem Batterietesthandbuch des U.S. Advanced Battery Consortium (USABC) umfasst der gesamte Berechnungsprozess die folgenden Schritte:

Schritt 1: Erster Baseline-Test

Führen Sie bei einer bestimmten Temperatur (in der Regel 25 °C oder 30 °C) und Entladerate (z. B. C/3) eine Standardentladung an einer vollständig geladenen Batterie durch, um die Anfangskapazität (C_initial) zu messen, die als Referenzwert dient.

Schritt 2: Zyklustests durchführen

Führen Sie wiederholte Zyklen nach dem eingestellten Testprofil durch, zum Beispiel:

• 100% oder 80% DoD
• Feste C/3, C/2, usw.
• Umgebung mit konstanter Temperatur

Wiederholen Sie in regelmäßigen Abständen (z. B. alle 25 oder 50 Zyklen) die Grundlinienprüfung, um die aktuelle Kapazität (C_current) zu messen.

Schritt 3: Datenaufzeichnung und Endpunktbestimmung

Erfassen Sie fortlaufend den Kapazitätsabfall und berechnen Sie den Kapazitätserhalt:
Kapazitätserhalt = (C_aktuell / C_anfänglich) × 100%

Der Test ist beendet, wenn die Kapazitätserhaltung erstmals unter 80% fällt.

Die Gesamtzahl der zu diesem Zeitpunkt aufgelaufenen Zyklen entspricht der Lebensdauer der Batterie unter diesen spezifischen Bedingungen.

Schritt 4: Fachliche Schlüsselqualifikation

Die Lebensdauer hängt stark von den Testbedingungen ab.

Unterschiedliche Temperaturen, DoD-Stufen und C-Raten können zu erheblichen Abweichungen bei der angegebenen Lebensdauer führen. Aus diesem Grund müssen professionelle Lebenszyklusberichte klar und deutlich sein:

• Temperatur
• DOD
• C-Rate
• Spannungsfenster
• Umgebungsbedingungen

Zum Beispiel: “Zyklenlebensdauer≥3000 Zyklen bei 25°C, 80% DoD, C/3 Lade-/Entladerate.” Die Angabe der Zyklenlebensdauer ohne Angabe der Testbedingungen ist sinnlos.

Wodurch wird die Lebensdauer der Batterie beeinflusst?

Die Lebensdauer eines Akkus wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Das Verständnis dieser Faktoren ist entscheidend für die Systemauslegung, die Batterieauswahl und den täglichen Gebrauch.

Batteriechemie

Unterschiedliche Chemikalien haben von Natur aus unterschiedliche Lebensdauern.

• LFP: Stabile Struktur, minimale Volumenänderung, lange Lebensdauer, oft über 3.000 Zyklen.
• NMC: Hohe Energiedichte, aber geringere strukturelle Stabilität bei tiefen Zyklen, typischerweise kürzere Lebensdauer als LFP.
• Blei-Säure: Kurze Lebensdauer (300-500 Zyklen), eher für Startanwendungen als für Deep Cycling geeignet.

Temperatur

Der Kapazitätsabbau von Batterien ist eng mit der Temperatur verbunden. Der Abbau ist bei Raumtemperatur minimal, beschleunigt sich aber bei Lagerung oder Verwendung bei hohen (typischerweise über 35 °C) oder niedrigen Temperaturen (typischerweise unter 5 °C).

Eine in Scientific Reports veröffentlichte Studie ergab, dass die maximale Speicherkapazität bei einem Temperaturanstieg von 25°C auf 45°C zwar zunahm, bei weiteren Temperaturerhöhungen jedoch abnahm.

Da die Leistung bei hohen Temperaturen stärker abnimmt, verkürzt sich die Lebensdauer des Akkus erheblich, wenn er über längere Zeit extremer Hitze ausgesetzt ist. Vermeiden Sie eine längere Aussetzung an hohe Temperaturen.

Tiefe der Entleerung

DoD bezieht sich auf den Prozentsatz der Gesamtkapazität des Akkus, der in einem einzigen Zyklus entladen wird. Dies ist einer der Faktoren, die der Benutzer am besten kontrollieren kann, um die Lebensdauer zu verlängern.

Häufiges Laden auf über 90% und Entladen auf unter 10% kann den Kapazitätsabfall beschleunigen.

Vermeiden Sie es, die Batterie bis zur Erschöpfung laufen zu lassen, bevor Sie sie wieder aufladen. Es ist besser, die Batterie regelmäßig aufzuladen.

C-Rate

Die C-Rate misst die Intensität des Lade-/Entladestroms. Das Laden/Entladen mit hohen Strömen entspricht zwar dem Bedürfnis nach schneller Energierückgewinnung, schadet aber sichtbar der Lebensdauer.

Hohe Ströme erzeugen mehr Joule-Wärme, erhöhen die Polarisierung und beschleunigen die mechanische Beanspruchung der aktiven Materialien und den Abbau der SEI-Schicht, was die Lebensdauer verkürzt.

Ladezustand Reichweite

Wenn Sie die Batterie über einen längeren Zeitraum auf einem hohen Ladezustand oder einer hohen Spannung halten, schadet dies ebenfalls der Lebensdauer.

Bei langfristiger Lagerung sollte der SOC zwischen 40% und 80% liegen.

Bei täglichem Gebrauch kann die Einstellung der maximalen Ladegrenze auf 90% oder 80% die Lebensdauer des Zyklus effektiv verlängern.

Fertigungsqualität

Die endgültige Lebensdauer einer Batterie hängt von ausgefeilten Herstellungsverfahren und Qualitätskontrollen ab.

Faktoren wie extreme Luftfeuchtigkeit/Temperatur in der Produktion, ungleichmäßige Elektrodenbeschichtung, schlechte Ausrichtung beim Stapeln/Wickeln und Unstimmigkeiten zwischen einzelnen Zellen wirken sich alle auf die Lebensdauer aus.

Die Wahl renommierter Marken mit fortschrittlichen Herstellungsverfahren ist von grundlegender Bedeutung, um langlebige Batterien zu erhalten.

So verlängern Sie die Lebensdauer der Batterie

In der Praxis ist die Lebensdauer eines Akkus nicht festgelegt, sondern hängt stark von den Benutzergewohnheiten, der Umgebungstemperatur und den Lade-/Entlademethoden ab. Die gute Nachricht ist, dass Sie die Lebensdauer Ihres Akkus mit der richtigen Pflege verlängern können. Hier sind die praktischsten und am besten umsetzbaren Strategien:

Beibehaltung eines 40-80% DoD-Bereichs

Tiefentladungen belasten die Elektrodenmaterialien stark und verursachen irreversible Schäden wie strukturelle Ausdehnung, Delamination und Mikrorisse.

Die Verwendung des Akkus innerhalb eines SOC-Bereichs von 40-80% kann seine Lebensdauer erheblich verlängern.

Bei Energiespeichersystemen sind Zyklen zwischen 20% und 80% am üblichsten.

Befolgen Sie die vom Hersteller empfohlene C-Rate

Verschiedene Batterietypen können unterschiedliche C-Raten vertragen. Zu hohe Raten können zu Überhitzung, starker Polarisierung und Lithiumplattierungsrisiken führen.

Die Einhaltung der vom Hersteller empfohlenen Lade-/Entladeraten verlängert die Lebensdauer erheblich. Industrielle ESS verwenden in der Regel 0,25C bis 0,5C, um die Lebensdauer zu verlängern.

Verwenden Sie immer das Original-Ladegerät oder zertifizierte Geräte.

Die Forschungen des Teams von Paul Gasper, die im Journal of Energy Storage veröffentlicht wurden, umfassten beschleunigte Alterungstests an Batterien verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften (LFP vs. NMC) und Designs. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Zykluslebensdauer stark von den Nutzungsbedingungen abhängt, wie z. B. Temperatur, DoD, Spannungsfenster und C-Rate.

Wenn Sie diese einfachen, aber entscheidenden Gewohnheiten beherzigen, können Sie die Kapazitätsabnahmekurve erheblich verlangsamen, die Batterie mit einer höheren nutzbaren Kapazität halten und eine längere praktische Lebensdauer gewährleisten.

Schlussfolgerung

Vor dem globalen Hintergrund der Beschleunigung des Einsatzes erneuerbarer Energien, der Verringerung des Ressourcenabbaus und der Förderung einer nachhaltigen Entwicklung spart die Verlängerung der Batterielebensdauer nicht nur Kosten, sondern reduziert auch den Bedarf an Bergbau, verringert die Abfallmenge und leistet einen positiven Beitrag zu ökologischen und humanitären Zwecken.

Die Beherrschung der in diesem Artikel beschriebenen Schlüsselprinzipien - Kontrolle von DoD, Vermeidung von hohen Temperaturen, Minimierung von Schnellladungen und Beibehaltung angemessener C-Raten - kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Batterien erheblich verbessern und jede Kilowattstunde Energie wertvoller machen.