Maximierung der Lebensdauer von Elektrofahrzeugbatterien: Erkenntnisse aus dem Webinar von Dr. Jeff Dahn

Das Webinar wird von Tim Burrows, einem Freiwilligen der EV Society, moderiert, um über Elektroautos und den Übergang zur Elektromobilität zu diskutieren. Dr. Jeff Don, ein renommierter Forscher auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, ist der Gastredner.

Ein großer Vorteil beim Besitz eines Elektrofahrzeugs (EV) ist der minimale Wartungsaufwand im Vergleich zu Verbrennungsmotoren. EV-Besitzer müssen verstehen, wie sie sich um ihre EVs kümmern und sie nutzen, um die Batterielebensdauer zu maximieren, da Batterien die teuersten Komponenten in EVs sind.

Dr. Jeff Don ist eine führende Autorität und Forscher auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, bekannt für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, die in Laptops, Mobiltelefonen und Elektroautos verwendet wird. Er ist mit der Dalhousie University verbunden und wird für seine Beiträge zur Batterietechnologie anerkannt.

Dr. Jeff Don diskutiert die Grundlagen von Lithium-Ionen-Batterien und hebt die Struktur mit negativen und positiven Elektroden hervor. Er erklärt die Bewegung von Lithium-Ionen während Lade- und Entladezyklen und betont die Bedeutung der Aufrechterhaltung der Batteriegesundheit, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Lithium-Ionen-Batterien haben Elektrodenmaterialien, die mit dem Elektrolyten reaktiv sind und während des ersten Ladevorgangs schützende Schichten bilden, um den Betrieb zu ermöglichen. Diese schützenden Schichten bauen sich jedoch im Laufe der Zeit ab, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die Elektroden dehnen sich während des Lade- und Entladevorgangs um 10 Prozent aus und zusammen, was sie dazu zwingt, kontinuierliche Volumenänderungen standzuhalten.

Die Spannung einer Lithium-Ionen-Batterie variiert mit ihrem Ladezustand, wobei höhere Spannungen die positive Elektrode reaktiver gegenüber dem Elektrolyten machen. Der Betrieb von Elektrofahrzeugen innerhalb eingeschränkter Ladezustandsbereiche, wie dem Laden auf 60% und Entladen auf 40%, hilft, die Reaktivität zu steuern und die Batterielebensdauer zu verlängern.

Im Jahr 2014 wurde in einer Forschungsarbeit von Madeleine Ecker und Professor Dirk Louis Sawyer auf die Hauptfehlermodi von Lithium-Ionen-Zellen hingewiesen. Die Arbeit zeigte, dass die Lagerung von Zellen bei hohen Temperaturen und hohen Ladezuständen zu einer schnellen Degradation führte, während niedrigere Temperaturen und niedrigere Ladezustände zu einer langsameren Degradation führten. Das Laden und Entladen innerhalb eingeschränkter Ladezustandsbereiche verbesserte signifikant die Lebensdauer der Zellen.

Die Volumenänderungen in den Elektroden sind proportional zum Ladezustandsbereich, mit maximalen Änderungen von 0 bis 100 Prozent und begrenzten Änderungen von 40 bis 60 Prozent, etwa 20 Prozent des gesamten Bereichs.

400 Tage Radfahren zwischen 40 und 60 Prozent Ladezustand entspricht 3200 äquivalenten Vollzyklen, was 1,2 Millionen Kilometern für ein 400 Kilometer Fahrzeug entspricht, wobei kurze Fahrten von 80 Kilometern für diese Reichweite erforderlich sind.

Lithium-Ionen-Zellen verlieren Kapazität aufgrund von Reaktionen zwischen Lithium-Atomen in der negativen Elektrode und dem Elektrolyt, die sich bei hohen Temperaturen und höheren Zellspannungen beschleunigen.

Um den Kapazitätsverlust zu verringern, lagern Sie die Batterie während Hochtemperaturperioden wie dem Sommer bei einem niedrigeren Ladezustand von etwa 30 Prozent, um die Reichweite zu erhalten.

Mikrorissbildung in Lithium-Ionen-Zellen tritt aufgrund der Volumenexpansion und -kontraktion der Elektrodenpartikel auf, was zur Freilegung neuer Oberflächen und Reaktionsprodukte führt und sich bei größerer Entladungstiefe verschlimmert.

Mikrorissbildung entsteht aus der Morphologie der positiven Elektrodenpartikel, die aus Sekundärpartikeln bestehen, die aus primären Kristalliten für schnellen Lithiumtransport bestehen, wobei Mikrorissbildung aufgrund der atomaren Struktur und Korngrenzen auftritt.

Die Kristallstruktur von NMC 622 besteht aus Lithium-, Sauerstoff- und Übergangsmetallatomen. Lithiumatome sind weiß dargestellt, Sauerstoffatome in Grau und Übergangsmetallatome in Schwarz. Die Struktur umfasst charakteristische Vektoren A und C, die in der Länge variieren und die Abstände zwischen benachbarten Übergangsmetallatomen und Schichten beeinflussen.

Veränderungen im Lithiumgehalt beeinflussen die Kristallstruktur von NMC 622. Diagramme zeigen Variationen in den A- und C-Achsen mit Lithiumgehalt, was auf signifikante Veränderungen der Parameter hinweist. Anisotrope Volumenänderungen können aufgrund unterschiedlicher Expansionsraten zu Rissen entlang der Partikelgrenzen führen.

Um Mikrorissbildung in positiven Elektrodenmaterialien, die dafür anfällig sind, zu verhindern, ist ein kontinuierliches Zyklieren bei verschiedenen Entladetiefen entscheidend. Tests über 20.000 Stunden zeigten, dass Zellen, die bei 25% Entladetiefe zyklisiert wurden, im Vergleich zu denen, die bei höheren Tiefen zyklisiert wurden, einen minimalen Kapazitätsverlust aufwiesen, was die Bedeutung von häufigen, flachen Zyklen betont.

Die Datenanalyse ergab, dass häufiges Laden mit flachen Entladezyklen für die Batterielebensdauer vorteilhafter ist als seltenes Laden mit tiefen Entladezyklen. Zellen, die mit 25% Entladetiefe zyklisiert wurden, verloren nach 2,5 Jahren nur 8% ihrer Kapazität, während diejenigen, die mit 100% Entladetiefe zyklisiert wurden, 27% ihrer Kapazität verloren.

Röntgen-Computertomographie (CT) kann zur Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Vergrößerung verwendet werden, ähnlich wie CT-Scans in Krankenhäusern verwendet werden. Toby Bond am Canadian Light Source in Saskatoon führte Messungen an einer kleinen Lithium-Ionen-Zelle durch, die Details wie den Kupferstromkollektor, die Graphitschicht, kugelförmige Bälle auf der positiven Elektrode und den Aluminiumstromkollektor offenbarten.

Zellen, die bei unterschiedlichen Entladetiefen zyklisiert wurden, zeigen unterschiedliche Grade der Partikeldegradation. Eine Zelle, die zwei Jahre lang bei 25% Entladetiefe zyklisiert wurde, zeigte minimale Unterschiede im Vergleich zu einer frischen Zelle. Im Gegensatz dazu erlebte eine Zelle, die kontinuierlich zwei Jahre lang bei 100% Entladetiefe zyklisiert wurde, eine signifikante Partikeldisintegration, behielt jedoch immer noch etwa 75-80% ihrer ursprünglichen Kapazität bei.

Das Laden von Lithium-Ionen-Zellen zu Hause mit einer Entladungstiefe von 25% kann die Batterielebensdauer erheblich verlängern. Für EV-Besitzer, die auf öffentliche Ladestationen angewiesen sind und selten laden, könnte die Batterielebensdauer jedoch nicht so lang sein. Das Verständnis, wie Mikrorisse zu beseitigen sind, ist entscheidend für die Verbesserung der Batterielebensdauer.

Forscher wie Young Cook Son von der Hang Dang Universität befürworten ein einzelkristallines positives Elektrodenmaterial, um Mikrorisse zu verhindern. Durch die Verwendung von Einzelkristallmaterialien, bei denen jede Partikel aus einem einzigen Kristall ohne Unterbrechungen besteht, erfolgt die Ausdehnung und Kontraktion während der Lade- und Entladezyklen gleichmäßig, wodurch Mikrorisse beseitigt und die Batterielebensdauer verbessert werden.

Eine Studie, die 2019 veröffentlicht wurde, zeigte die Langzeitleistung des Einzelkristall-NMC-532-Positiv-Elektrodenmaterials nach 5300 Zyklen. Das Rasterelektronenmikroskopbild zeigte keine Mikrorisse im Material und unterstrich die Haltbarkeit und Stabilität von Einzelkristallelektrodenmaterialien auch nach umfangreichem Zyklus.

Über einen Zeitraum von fünf Jahren durchgeführte Tests an einzelnen Kristall-NMC-532-Graphitzellen zeigten eine bemerkenswerte Leistung. Die Zellen wurden über fünf Jahre hinweg in Ein-Stunden-Zyklen aufgeladen und entladen, insgesamt 16.500 Zyklen, mit praktisch keiner Degradation. Jeder Zyklus entsprach 400 Kilometern Fahrstrecke, was einem Fahrzeugbetrieb von 6,4 Millionen Kilometern entspricht.

Die Technologie, die in den einzelnen Crystal NMC 532 Graphitzellen demonstriert wird, ermöglicht den Betrieb von Fahrzeugen zum Netz. Dieses Konzept ermöglicht es Fahrzeugen, in das Netz eingesteckt zu werden, wenn sie nicht benutzt werden, um Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern. Der Energieversorger kann die Fahrzeuge aufladen, um Energie zu speichern und sie während Spitzenzeiten abzugeben, wie zum Beispiel am Abend, wenn Solarenergie nicht verfügbar ist.

Die einzelnen Kristall-NMC-532-Graphitzellen zeigten eine außergewöhnliche Langzeitleistung. Bei einem Zyklus pro Tag könnten die Zellen bei 20 Grad Celsius 40 Jahre lang halten. Das Gasbeutelmerkmal in den Zellen dient als Indikator für unerwünschte Reaktionen und liefert frühzeitige Warnzeichen für mögliche Probleme.

Lithium-Ionen-Batterien, die Einzelkristall-Positivelektrodenmaterialien wie NMC 532 oder 622 verwenden, beseitigen die Notwendigkeit, sich um Mikrorisse zu sorgen. Dies macht sie für Fahrzeug-zu-Netz-Anwendungen mit mehreren Lade- und Entladezyklen geeignet. Die Technologie bietet Langlebigkeit und Zuverlässigkeit für Energiespeicherprodukte.

Um den Bedarf an längeren Reichweiten bei Elektrofahrzeugen zu decken, sind Lithium-Ionen-Zellen mit höherer Energiedichte erforderlich. Der Übergang zu Materialien mit höherem Nickelgehalt, wie NMC-811, ermöglicht es, mehr Energie in die Batterie zu packen. Diese Verschiebung ermöglicht längere Reichweiten, indem die Amperestunden pro Kilogramm des positiven Elektrodenmaterials erhöht werden.

Die Plateau- und Spannungskurve fallen mit einem signifikanten Volumenwechsel im positiven Elektrodenmaterial zusammen, was zu schnellen Volumenänderungen und Mikroverpackungen führt. Ein kontinuierliches Zyklieren über dieses Plateau kann aufgrund von Sauerstofffreisetzung und Elektrolytreaktionen zu Kapazitäts- und Leistungsverlusten über Hunderte von Lade-Entlade-Zyklen führen.

Um die Batterielebensdauer zu maximieren, wird empfohlen, das Laden zu stoppen, bevor das Plateau erreicht wird, normalerweise bei einer Ladung von 75 Prozent, um große Volumenänderungen und Sauerstofffreisetzung zu vermeiden. Das Laden auf 75 Prozent kann die Batterielebensdauer erheblich verbessern, indem Kapazitätsverlust und Leistungsdegradation über mehrere Lade-Entlade-Zyklen verhindert werden.

Das Laden von Lithium-Ionen-Zellen auf 75 Prozent (4,06 Volt) anstelle von 100 Prozent (4,2 Volt) führt zu einer langsameren Kapazitätsabnahme und erhält die Leistungsfähigkeit über eine längere Zyklusdauer. Die normierte Kapazität bleibt nach 3.000 Zyklen über 90 Prozent, wenn auf 75 Prozent geladen wird, im Vergleich zu 80 Prozent bei einer Ladung von 100 Prozent.

Für Elektrofahrzeuge mit einer Reichweite von über 70% Nickelgehalt ist es ratsam, nur bis zu 75% der vollen Kapazität aufzuladen, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Das Laden auf 75% hilft, große Volumenänderungen, Mikrorisse und Sauerstofffreisetzung aus dem positiven Elektrodenmaterial zu vermeiden, um die langfristige Batteriegesundheit und Leistung sicherzustellen.

Natrium-Ionen-Batterien gewinnen in der aktuellen Batterietechnologie-Landschaft an Aufmerksamkeit. Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen konzentrieren sich darauf, die Energiedichte und Leistung von Natrium-Ionen-Zellen zu verbessern, was in Zukunft eine potenzielle Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien darstellt.

Die Natriumionenzelle ist dicker als andere Zellen, einschließlich Lithiumionenzellen, was zu einer geringeren volumetrischen Energiedichte führt. Trotz ähnlicher Fläche, Kapazität und Spannung haben Natriumionenzellen etwa die Hälfte der Energiedichte von Lithiumionenzellen und sind sogar schlechter als Lithiumeisenphosphatzellen (LFP). Natriumionenzellen eignen sich für Elektrofahrzeuge mit kurzer Reichweite wie 300-250 Kilometer und für die Netzenergiespeicherung, mit einem Schwerpunkt auf langfristiger Nachhaltigkeit aufgrund von Bedenken hinsichtlich der zukünftigen Verfügbarkeit von Lithium.

Forschung an Natrium-Ionen-Zellen umfasste Tests mit verschiedenen Elektrolyten, um die Leistung zu verbessern und die Gasbildung zu vermeiden. Durch Zugabe einer speziellen Zutat zum Elektrolyten konnten die Forscher die Leistung der Zelle steigern und Gasbildung verhindern. Mehrere Unternehmen weltweit, darunter chinesische und indische Unternehmen, haben Pläne zur Kommerzialisierung von Natrium-Ionen-Zellen angekündigt, was vielversprechende Lebensdauern und Fortschritte in der Technologie zeigt.

Um die Batterielebensdauer zu maximieren, ist es entscheidend, Lithium-Ionen-Zellen bei niedrigen Ladezuständen zu lagern, hohe Temperaturen zu vermeiden und Mikrorisse zu verhindern. Empfehlungen umfassen das Aufrechterhalten eines Ladezustands von etwa 25 Prozent, das Vermeiden von Materialien mit hohem Nickelanteil, die Sauerstoff freisetzen, und das Minimieren von Volumenänderungen, um Mikrorisse zu verhindern. Durch den Betrieb zwischen 70 und 45 Prozent Ladezustand, die Lagerung bei 30 Prozent über längere Zeiträume und die Verwendung spezifischer Elektrodenmaterialien kann die Batterielebensdauer signifikant verbessert werden.

Zellen mit Einzelkristall-Positiv-Elektrodenmaterialien, die weniger als 70 Prozent Nickel enthalten und geeignete Graphite aufweisen, sind für die Nutzung im Fahrzeug-zu-Netz-Bereich ohne Bedenken geeignet. Lithiumeisenphosphat-Positiv-Elektroden bieten auch eine lange Batterielebensdauer und sind für solche Anwendungen geeignet. Die Einhaltung spezifischer Richtlinien zum Ladezustand und zur Materialzusammensetzung gewährleistet optimale Batterieleistung und Langlebigkeit für verschiedene Anwendungen.

Sean Hart, ein langjähriges Mitglied und Vorstandsmitglied der EV Society, hat sich freiwillig gemeldet, um die Fragen während der Sitzung zu leiten.

Dr. John klärt auf, dass sich die Angabe von 100% Ladung auf den Ladezustand des Fahrzeugs bezieht, nicht nur auf die Zelle, da die Hersteller oben und unten einen Puffer lassen.

Kalte Temperaturen sind vorteilhaft für die Batterielebensdauer, da Degradationsreaktionen minimal sind, wenn die Batterie bei Kälte inaktiv ist. Die Lade- und Entladeraten sind bei Kälte niedrig, was die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Der Unterschied in der Ladegeschwindigkeit zwischen Level zwei, Level eins und DC-Schnellladung ist minimal, da Fahrzeuge den Ladestrom regulieren, um die Kapazität des Akkus anzupassen. Dr. John verwendet persönlich Level zwei und Level eins Ladung ohne Bedenken.

Im Winter ist es nicht notwendig, den Ladezustand vor dem Urlaub zu senken, da dies die Batterie bei kalten Temperaturen nicht signifikant beeinträchtigt.

Es kann schwierig sein, die Batteriechemie in einem Elektrofahrzeug zu bestimmen. Das Fragen von Händlern liefert möglicherweise nicht immer genaue Informationen. Vertrauliche E-Mails oder spezifische Quellen wie YouTube können Einblicke in die Batteriechemie bieten.

Einkristallmaterialien sind in Produkten erhältlich, wobei ein chinesischer Hersteller sie in einem Massenproduktionsmaßstab von etwa 100.000 Tonnen pro Jahr herstellt. Der Hersteller teilte eine Liste von Batteriekunden mit, die ihr Einkristallmaterial verwenden, was auf eine weit verbreitete Verwendung in verschiedenen Fahrzeugen hinweist.

Die Garantie für Batterien dauert in der Regel acht Jahre, um extreme Szenarien wie aggressive Nutzung, wie ständiges schnelles Aufladen, abzudecken. Allerdings zeigen reale Beispiele wie Kurt Sampsons Tesla Model S mit 420.000 Kilometern und noch 84% verbleibender Batteriekapazität, dass Batterien ihre Garantie deutlich übertreffen können.

Trotz Bedenken von Nicht-EV-Besitzern bezüglich der Batterielebensdauer zeigen realen Daten, dass Batterien weit über die Garantiezeiträume hinaus halten können. Frühe Probleme mit Batterieabbau in Hochtemperaturumgebungen wurden behoben, was zu einer verbesserten Lebensdauer für die meisten EV-Benutzer führt.

Ein niedrigerer Ladezustand ist im Allgemeinen besser für die Lebensdauer von Lithiumbatterien, obwohl der optimale Ladezustand variieren kann. Empfehlungen um einen Ladezustand von 75% bieten eine Balance zwischen Reichweite und Notfällen und ermöglichen eine flexible Nutzung.

Die Temperatur beeinflusst den idealen Ladezustand von Batterien, wobei höhere Temperaturen einen niedrigeren Ladezustand begünstigen. In Kanada, wo extreme Temperaturen weniger häufig vorkommen, ist es in der Regel für die Gesundheit und Leistung der Batterie ausreichend, einen Ladezustand von 75% aufrechtzuerhalten.

Prinz Edward Island hat ein Pilotprojekt mit Lion Electric Schulbussen aus Quebec gestartet, um die Vehicle-to-Grid (V2G) Technologie zu erforschen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Batteriekapazität von Elektrofahrzeugen zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind zu nutzen und das Potenzial von V2G im größeren Maßstab zu verdeutlichen.

Die Entscheidung zwischen der Aufrechterhaltung eines Ladezustands von 60% oder 80% hängt von den Fahrbedingungen ab. Für Stadtverkehr kann 60% ausreichen, während lange Fahrten von einem Ladezustand von 80% profitieren können. Die Wahl sollte mit den typischen Nutzungsverhalten des Fahrzeugs übereinstimmen.

Wenn Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, wird das Recycling aufgrund des signifikanten Mineralgehalts, den sie enthalten, entscheidend. Auch wenn verschiedene Batteriechemien unterschiedliche Recyclingauswirkungen haben können, ist das Ziel, die Batterielebensdauer zu verlängern, um den Bedarf an weit verbreitetem Recycling um mehrere Jahrzehnte zu verzögern.

Das bevorstehende Webinar wird den Chief Operating Officer von Charge Hub, einer führenden kanadischen Ladeplattform, vorstellen. Die Diskussion wird sich darauf konzentrieren, die Ladeerfahrung für Elektrofahrzeugfahrer in ganz Kanada zu vereinfachen, indem Zugang zu mehreren Netzwerken über ein einziges Konto bereitgestellt wird. Diese Initiative zielt darauf ab, die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Ladeinfrastruktur während des Übergangs zur Elektrifizierung anzugehen.