Akkutechnologie

Memory-Effekt nun auch bei Lithium-Ionen-Akkus nachgewiesen

| Redakteur: Thomas Kuther

Ein Lithium-Ionen-Akku: Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts haben den Memoryeffekt nun auch bei Lithium-Ionen-Akkus nachgewiesen
Ein Lithium-Ionen-Akku: Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts haben den Memoryeffekt nun auch bei Lithium-Ionen-Akkus nachgewiesen (Bild: VBM-Archiv)

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI in der Schweiz und des Toyota-Forschungslabors in Japan haben nun entdeckt, dass auch Lithium-Eisenphosphat-Akkus einen Memory-Effekt aufweisen.

Den – vor allem wegen ihrer hohen Energiedichte – in vielen Elektronikgeräten als Energiespeicher eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus eilt der gute Ruf voraus, keinen Memory-Effekt aufzuweisen. So nennt man eine Abweichung der Arbeitsspannung, die dazu führen kann, dass die gespeicherte Energie nur teilweise nutzbar und der Ladezustand der Batterie nicht zuverlässig abzuschätzen ist.

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und des Toyota-Forschungslabors in Japan haben nun bei einem weit verbreiteten Typ des Lithium-Ionen-Akkus doch einen Memory-Effekt entdeckt. Besonders relevant ist der Fund für die Elektromobilität. Die Arbeit erschien in der Fachzeitschrift Nature Materials.

Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus

Viele unserer Alltagsgeräte, die ihre Energie aus einer Batterie beziehen, sind – wenngleich nicht immer so „smart“ wie im Werbespot – doch oft mit einer Art Gedächtnis ausgestattet. Wird zum Beispiel der batteriebetriebene Rasierer oder die elektrische Zahnbürste immer wieder aufgeladen, bevor die Batterie leer läuft, kann sich die Vorsicht des Nutzers nachträglich rächen. Die Batterie scheint sich nämlich zu merken, dass ihr immer nur ein Teil ihrer Speicherkapazität entnommen wird – und liefert irgendwann eben nicht mehr ihr volles Potenzial.

Fachleute sprechen dann von einem „Memory-Effekt“, der zustande kommt, weil die Arbeitsspannung der Batterie durch die unvollständigen Lade-/Entladezyklen mit der Zeit sinkt. Das heißt, obwohl die Batterie noch Ladung hat, ist die Spannung, die sie liefert, irgendwann zu niedrig, um das fragliche Gerät anzutreiben. Der Memory-Effekt hat also zweierlei negative Folgen: Zum einen wird die nutzbare Speicherkapazität der Batterie reduziert. Zum anderen wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, sodass Letzterer nicht mehr verlässlich anhand der Spannung bestimmt werden kann.

Seit Langem bekannt ist der Memory-Effekt bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Bei den seit Anfang der 1990er-Jahren erfolgreich vermarkteten Lithiumionen-Batterien hatte man jedoch bisher die Existenz eines solchen Effekts ausgeschlossen. Zu Unrecht, wie die neue Arbeit zeigt.

Folgen des Memory-Effekts für die Elektromobilität

Festgestellt wurde der Memory-Effekt an einem der meistverbreiteten Materialien für die positive Elektrode von Lithium-Ionen-Akkus: Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Bei dieser Verbindung sind der nun entdeckte Memory-Effekt und die damit verbundene anomale Abweichung der Arbeitsspannung besonders folgenreich. Bei Lithium-Eisenphosphat bleibt die Spannung nämlich über einen großen Bereich des Ladezustands praktisch unverändert.

Das bedeutet, dass bereits eine kleine anomale Abweichung der Arbeitsspannung als eine große Veränderung im Ladezustand missdeutet werden könnte. Oder mit anderen Worten: wenn aus der Spannung auf den Ladezustand geschlossen wird, kann hier schon durch eine kleine Abweichung der Spannung ein großer Schätzfehler entstehen.

Die Existenz des Memory-Effekts ist vor allem im Hinblick auf den zu erwartenden Einzug von Lithium-Ionen-Akkus in den Bereich der Elektromobilität relevant. Insbesondere bei Hybridautos, bei deren normalem Betrieb sehr viele Zyklen partieller Ladung/Entladung stattfinden, würde der Effekt auftreten. In diesen Fahrzeugen wird die Batterie nämlich bei jedem Bremsvorgang durch den zum Generator verwandelten Motor aufgeladen. Entladen wird sie auch meist nur partiell, etwa um den Verbrennungsmotor in Beschleunigungsphasen zu unterstützen.

Die vielen aufeinanderfolgenden Zyklen unvollständiger Ladung bzw. Entladung können die Aufsummierung der einzelnen kleinen Memory-Effekte zu einem grossen Memory-Effekt zur Folge haben, wie die neue Arbeit zeigt. Dies würde einen Fehler bei der Abschätzung des momentanen Ladezustandes der Batterie zur Folge haben, falls der Ladezustand von der entsprechenden Software anhand des aktuellen Wertes der Spannung berechnet wird.

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Lieber Leser, der Memory-Effekt ist bei LiFePO4-Akkus extrem klein. Das ist auch der Grund,...  lesen
posted am 17.04.2013 um 16:18 von Thomas Kuther

Mir sind keine Memoryeffekte beim LiFePO4 Akku aufgefallen, betreibe die Anlage mit integriertem...  lesen
posted am 17.04.2013 um 14:09 von Unregistriert


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