- Durch die Änderung der Bedingungen für die erste Ladung, dem letzten Schritt der Batterieherstellung, stieg die durchschnittliche Lebensdauer um 50 %, und die anfängliche Ladezeit sank von 10 Stunden auf 20 Minuten
- Dieser Schritt ist der Formation-Prozess, bei dem sich auf der Anodenoberfläche eine SEI-Schutzschicht bildet, die die spätere Lade-/Entladeleistung und die Alterungsgeschwindigkeit stark beeinflusst
- Eine wissenschaftliche Machine-Learning-Analyse grenzte Temperatur und Strom als die entscheidenden Variablen der ersten Ladung ein, und Laden mit hohem Strom erhöhte die anfängliche Lithium-Inaktivierung von etwa 9 % auf etwa 30 %
- Der größere anfängliche Lithiumverlust wirkt kurzfristig wie ein Nachteil, schafft in der Kathode jedoch zusätzlichen Spielraum und macht die spätere Elektrodenzyklen effizienter
- Die bisherige Herstellungspraxis, bei der eine erste Ladung mit niedrigem Strom bevorzugt wurde, könnte im Hinblick auf die gemeinsame Optimierung von Lebensdauer und Fertigungseffizienz neu bewertet werden
Bedingungen der ersten Ladung verändern Lebensdauer und Fertigungszeit
- Die erste Ladung einer Lithium-Ionen-Batterie bestimmt, wie stabil die Batterie später arbeitet und wie viele Lade-/Entladezyklen sie vor der Alterung aushält
- Forschende des SLAC-Stanford Battery Center bestätigten in einer in Joule veröffentlichten Studie, dass die durchschnittliche Lebensdauer um 50 % zunahm, wenn neue Batterien beim ersten Mal mit ungewöhnlich hohem Strom geladen wurden
- Unter denselben Bedingungen verkürzte sich die anfängliche Ladezeit von bisher 10 Stunden auf 20 Minuten
- Die Studie wurde vom SLAC/Stanford-Team geleitet, beteiligt waren außerdem Forschende des Toyota Research Institute (TRI), des MIT und der University of Washington
Formation-Phase, in der sich die SEI-Schutzschicht bildet
- Das Forschungsteam stellte Pouch-Zellen her, bei denen Kathode und Anode von einer Elektrolytlösung umgeben waren, um die Veränderungen während der ersten Zyklen zu beobachten
- Beim Laden der Batterie wandern Lithium-Ionen zur Speicherung zur Anode, beim Entladen kehren sie zur Kathode zurück und erzeugen dabei den Elektronenfluss
- Die Kathode einer neuen Batterie ist anfangs zu 100 % mit Lithium gefüllt, und mit wiederholten Lade-/Entladezyklen wird ein Teil des Lithiums inaktiv
- Ein Teil dieses anfänglichen Lithiumverlusts wird dafür verwendet, auf der Anodenoberfläche eine weiche Schicht namens solid electrolyte interphase (SEI) zu bilden
- Die SEI schützt die Anode vor Nebenreaktionen
- Nebenreaktionen können den Lithiumverlust beschleunigen und die Batterie schneller altern lassen
- Die erste Ladung ist die Formation, der letzte Schritt des Herstellungsprozesses. Wenn diese Phase scheitert, sind der bis dahin in die Batterie investierte Wert und Aufwand verschwendet
Unterschied zwischen der Niedrigstrom-Praxis und dem Hochstrom-Experiment
- Hersteller haben die erste Ladung neuer Batterien üblicherweise mit niedrigem Strom durchgeführt, in der Annahme, so die robusteste SEI-Schicht zu erzeugen
- Laden mit niedrigem Strom dauert lange, ist teuer und führt nicht immer zum optimalen Ergebnis
- Jüngere Studien haben gezeigt, dass auch schnelles Laden mit höherem Strom die Batterieleistung nicht zwangsläufig verschlechtert; diese Studie analysiert die Gründe dafür genauer
- An der SEI-Bildung während der ersten Ladung sind Dutzende Variablen beteiligt, sodass sich nicht alle Kombinationen im Labor testen lassen
Machine Learning grenzt Temperatur und Strom als Schlüsselvariablen ein
- Das Forschungsteam nutzte wissenschaftliches Machine Learning, um die Variablen mit dem größten Einfluss auf gute Ergebnisse zu identifizieren
- Unter vielen Variablen erwiesen sich insbesondere Temperatur und Ladestrom als besonders einflussreich
- Eine erste Ladung mit hohem Strom zeigte den deutlichen Effekt, die durchschnittliche Lebensdauer der Testbatterien um 50 % zu verlängern
- Bedingungen mit hohem Strom erhöhten den Anteil der anfänglichen Lithium-Inaktivierung von etwa 9 % bei der bisherigen Methode auf etwa 30 %, doch gerade diese Veränderung führte zu einer Leistungsverbesserung
Wie ein größerer anfänglicher Verlust die spätere Effizienz erhöht
- Die anfängliche Inaktivierung von mehr Lithium-Ionen wird mit dem Ausschöpfen eines randvollen Eimers verglichen, bevor man ihn trägt
- Wie ein Eimer mit etwas Spielraum beim Tragen weniger überschwappt, schafft die Inaktivierung von mehr Lithium während der SEI-Bildung in der Kathode zusätzlichen Spielraum
- Dieser Spielraum hilft den Elektroden, in späteren Zyklen effizienter zu arbeiten, und verbessert die nachfolgende Leistung
- Es reicht nicht, nur Bedingungen für eine gute Batterie zu finden; um sie in die Fertigung zu übertragen, muss man verstehen, wie diese Bedingungen wirken
- Ein solches Verständnis ist nötig, um das Gleichgewicht zwischen Batterieleistung und Fertigungseffizienz neu auszutarieren
Potenzial für die Optimierung des Herstellungsprozesses
- Die Batterieherstellung ist ein kapital-, energie- und zeitintensiver Prozess, und auch das Anfahren neuer Fertigungslinien dauert lange
- Zudem gibt es viele Prozessvariablen, was die Suche nach optimalen Bedingungen erschwert
- Die aktuellen Ergebnisse zeigen einen verallgemeinerbaren Ansatz, um die erste Ladung als wichtigen Schritt der Batterieherstellung zu verstehen und zu optimieren
- TRI erklärte, dass sich die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse künftig möglicherweise auf neue Prozesse, Anlagen, Ausrüstung und Batteriechemien übertragen lassen
- Die Studie wurde über das Programm Accelerated Materials Design and Discovery des Toyota Research Institute finanziert
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Aus der Perspektive von jemandem, der eine Weile in der Branche gearbeitet hat, bin ich bei dieser Studie etwas skeptisch. Wenn das stimmt, hätte man in früheren Studien oder Experimenten mit anderen Bedingungen für die Erstladung ebenfalls eine bessere Alterungsperformance sehen müssen – und solche Fälle haben wir definitiv schon gesehen.
Außerdem muss man betrachten, wie stark die vergrößerte Solid Electrolyte Interphase (SEI) die Impedanz der Zelle verändert und dadurch spätere Ladegeschwindigkeit und nutzbare Kapazität reduziert.
Was sich bei allen Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Chemien durchgängig gezeigt hat: Tiefes Entladen unter 60 % reduziert die nutzbaren Ladezyklen von 8000 auf unter 2000; Entladen mit hohem Strom oder Schnellladen beschleunigt den Kapazitätsverlust um etwa 15 % pro Jahr; und dendritische Defekt-Kurzschlüsse schädigen die Zellen, wobei Innenwiderstand und Selbstentladungsrate gemeinsam steigen.
Wenn diese Methode bei allen Zellchemien funktioniert, wäre das ziemlich erstaunlich.
https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
Sinngemäß heißt es: „Am Anfang mehr Lithium-Ionen zu entfernen ist so, als würde man vor dem Tragen eines vollen Eimers etwas Wasser abschöpfen. Wenn mehr freier Raum entsteht, schwappt unterwegs weniger Wasser. Ebenso schafft es Platz in der positiven Elektrode, wenn während der SEI-Bildung mehr Lithium-Ionen deaktiviert werden, sodass die Elektrode effizienter zykliert und später eine bessere Leistung bringt.“ Die Erklärung wirkt nicht besonders belastbar.
Wenn sich das auch in der Produktion bestätigt, wäre das eine wirklich schöne Entdeckung. Dann wäre es eine Prozessvariable, die direkt vor der Nase verborgen lag.
Artikel darüber, dass sich die Batterielebensdauer mit einfachen Maßnahmen deutlich verlängern lässt, sieht man ziemlich häufig, aber außer in sehr speziellen Anwendungen wird das praktisch nicht umgesetzt.
Meist geht man eher den Weg, die gleiche Lebensdauer beizubehalten und dafür die Energiedichte zu erhöhen. Hochvolt-Lithium-Ionen-Zellen (Ladeschlussspannung über 4,2 V) sind ein Beispiel: Würde man sie nur bis 4,2 V laden, hielten sie viel länger als frühere Typen, aber Hersteller werben lieber mit 4,3 V, 4,35 V oder sogar 4,4 V und stellen die dadurch gewonnene Zusatzkapazität heraus.
Kurz gesagt: Beim anfänglichen Formation Charging der Batterie wird ein Teil des Lithiums deaktiviert und bildet um die Anode herum eine weiche Schutzschicht, die Solid Electrolyte Interphase (SEI).
Derzeit nutzen Hersteller normalerweise eine langsame Formationsladung, bei der etwa 9 % des Lithiums in der SEI verschwinden. Man ging davon aus, dass das nötig ist, um eine robuste Schicht zu erzeugen; bei dem höheren anfänglichen Ladestrom in dieser Studie wurden jedoch 30 % zur SEI.
Die Erklärung lautet also: Bezogen auf die gleiche Lithiummenge verliert man etwas Batteriekapazität, erhält aber eine dickere Schutzschicht auf der Elektrode, was die Lebensdauer in späteren Ladezyklen verbessert.
Ich habe schon einmal eine zu stark entladene Lithium-Batterie, die sich nicht mehr laden ließ, wiederbelebt, indem ich sie für ein paar Sekunden an eine voll geladene Batterie angeschlossen habe.
Im Grunde ist das „Risiko eingehen und auf einen Treffer hoffen“.
Wenn eine gute SEI-Schicht auf der Elektrode wichtig ist: Könnte man diese Schicht nicht schon vor dem Zusammenbau der Batterie auf die Elektrode aufbringen? Dann ließe sich die Form der Schicht vielleicht auch gleichmäßiger gestalten.
Ich bin unsicher, was Batterielebensdauer hier genau bedeutet: Kapazitätsabbau oder zufällige Ausfälle?
Wenn diese Entdeckung zwar den Kapazitätsabbau verlangsamt, aber die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektroauto-Akku plötzlich ausfällt, um den Faktor 100 erhöht, wäre das kostenseitig keine Verbesserung. Für Consumer-Geräte könnte es allerdings in Ordnung sein.
Wenn man Laden und Entladen im Bereich 80/20 hält, wird die Batterielebensdauer hauptsächlich durch die Lagerlebensdauer begrenzt. Wenn man zum Beispiel einen Nissan Leaf im Ladezustandsbereich von 20 bis 80 % hält, könnte er vermutlich 20 Jahre halten; lädt man ihn aber jedes Mal per DC-Schnellladung auf 100 %, sind es möglicherweise nur 2000 Zyklen, also grob 5 bis 7 Jahre.
Ich bin verwirrt: Ist das nur eine Vorhersage, oder wurde es experimentell bestätigt?
Ich erinnere mich, kürzlich ein Paper gesehen zu haben, dem zufolge die Batteriealterung praktisch verschwindet, wenn man den Strom verdoppelt, aber mit einer Rechteckwelle bei 2 kHz lädt.
2021: Niederfrequentes Pulsladen https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
2024: Hochfrequentes Pulsladen https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
Ich bin gerade nicht in der Lage, sie richtig zu lesen, aber es ist ein ziemlich interessantes Forschungsgebiet.
Es wirkt, als würde man – ähnlich wie Hochspannung Strom Muster in Holz ätzt – eine Mikrostruktur einbrennen, die die Filamentbildung stabiler macht.
Zusammengefasst sorgt der hohe Strom dafür, dass sich die Schicht auf der Anode etwas anders und natürlich schneller bildet. Früher nahm man an, eine langsame Erstladung führe zu einer besseren Formation.
Das ist weniger eine grundlegende Entdeckung als eher eine inkrementelle Verbesserung durch Prozessanpassung.
Aus verschwörungstheoretischer Sicht würden viele Hersteller von Unterhaltungselektronik das aber vermutlich nicht mögen. Eine gesunkene Batteriekapazität dürfte ein wichtiger Faktor sein, der den Austauschzyklus antreibt.
Heutzutage beginnt man meist nach etwa 2 bis 3 Jahren, den Kapazitätsverlust des Handyakkus deutlich zu bemerken. Man weiß zwar, dass das Telefon selbst noch gut funktioniert, dass man die Funktionen des neuesten Modells nicht wirklich braucht und dass man auch nur den Akku tauschen könnte, aber manchmal denkt man: „Wenn ich schon den Akku tausche, kann ich auch gleich ein neues Handy kaufen.“
Wenn die Batterielebensdauer 50 % länger wäre, würde man die gesunkene Akkukapazität wohl kaum noch als Vorwand für ein Upgrade nehmen.