Gründe für die Selbstentladung bei Lithium-Ionen-Batterien

Selbstentladung bei Lithium-Ionen-Akkus bezeichnet das Phänomen, dass die Ladung/Spannung des Akkus beim Trennen von einem externen Stromkreis (d. h. im Leerlauf) natürlich abnimmt. Dies ist eine inhärente Eigenschaft aller Akkus, der Grad variiert jedoch. Lithium-Ionen-Akkus weisen eine relativ geringe Selbstentladungsrate auf, sind aber dennoch betroffen. Die Hauptursachen lassen sich wie folgt kategorisieren:

1. Unvermeidliche chemische Nebenreaktionen (normale Selbstentladung)

(1) Wachstum und Auflösung der SEI-Schicht:

Die Anode (üblicherweise Graphit) ist mit einer Festelektrolyt-Zwischenschicht (SEI) beschichtet, die sich beim ersten Laden/Entladen bildet und für den Batteriebetrieb unerlässlich ist. Die SEI-Schicht ist jedoch nicht vollkommen stabil. Während der Lagerung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, löst sie sich langsam auf und bildet sich neu. Diese Neubildung verbraucht Lithiumionen und Elektrolyt, was zu Kapazitätsverlust und Spannungsabfall führt – einem wesentlichen Faktor für die Selbstentladung.

(2) Oxidation/Reduktion des Elektrolyten:

Geladene Kathodenmaterialien (z. B. LiCoO₂, NCM, LiFePO₄) sind stark oxidativ. Elektrolytlösungsmittel (z. B. EC, DMC) und Additive zersetzen sich bei längerem Kontakt mit der Hochspannungskathode allmählich durch Oxidation. Auch an der Anode können trotz SEI-Schutz geringfügige Reduktionsreaktionen des Elektrolyten auftreten. Diese parasitären Reaktionen verbrauchen aktive Lithiumionen und führen zu Kapazitätsverlust.

(3) Verunreinigungsreaktionen:

Spurenverunreinigungen (z. B. Fe-, Cu-, Zn-Ionen) in Elektrodenmaterialien oder Stromkollektoren können Mikrokurzschlüsse verursachen oder an Nebenreaktionen teilnehmen, die Ladung verbrauchen.

2. Interne Mikrokurzschlüsse (verursacht durch Herstellungsfehler oder Alterung)

(1) Separatordefekte:

Mikroskopische Nadellöcher, Verunreinigungen oder Schwachstellen im Separator können nach Zyklen oder Langzeitlagerung zu Elektronenübergängen (Mikrokurzschlüssen) zwischen den Elektroden führen und so Ladung direkt entweichen lassen. Dies ist eine Hauptursache für eine ungewöhnlich hohe Selbstentladung. Während Separatoren makroskopisch Elektronen blockieren, können sich über leitfähige Netzwerke oder Elektrolyte mikroskopische Elektronenleckwege bilden.

(2) Dendritenpenetration:

Aufgrund von Überladung, Niedertemperaturladung oder Alterung können sich Lithiumdendriten ungleichmäßig auf der Anode bilden. Scharfe Dendriten können den Separator durchdringen, Elektroden überbrücken und interne Kurzschlüsse verursachen.

(3) Metallstaubkontamination:

Metallstaubrückstände (z. B. vom Elektrodenschneiden), die zwischen Elektroden oder Separatoren eingeschlossen sind, können Mikrokurzschlüsse verursachen. Absolut staubfreie Bedingungen sind zwar unerreichbar, doch geringe Staubmengen haben vernachlässigbare Auswirkungen. Überschreitet jedoch die Staubmenge die Schwelle zum Durchdringen des Separators, beschleunigt sich die Selbstentladung erheblich. Hochwertige Separatorlösungen finden Sie in unserem Ausrüstung für die Batterieproduktionslinie .

3. Temperatureffekte

Die Temperatur ist ein kritischer Faktor. Höhere Temperaturen beschleunigen alle Selbstentladungsreaktionen (SEI-Entwicklung, Elektrolytzersetzung, Verunreinigungsreaktionen) exponentiell. Daher sollten Batterien für eine langfristige Lagerung bei niedrigen Temperaturen gelagert werden (Gefrieren vermeiden).

4. Auswirkungen der Selbstentladung

• Kapazitätsverlust: Reduzierte nutzbare Kapazität.

• Spannungsabfall: Mit der Zeit verringerte Leerlaufspannung (OCV).

• Beschleunigte Alterung: Nebenreaktionen (z. B. SEI-Wachstum) verbrauchen aktives Lithium/Elektrolyt und beschleunigen die Alterung.

• Herausforderungen bei der SOC-Schätzung: Selbstentladung erschwert die genaue Schätzung des Ladezustands (SOC) über die Spannung.

• Sicherheitsrisiken: Schwere Mikrokurzschlüsse können zu lokaler Erhitzung oder thermischem Durchgehen führen.

5. Minderungsstrategien

(1) Design und Materialien optimieren:

Verbessern Sie die SEI-Stabilität, entwickeln Sie oxidationsbeständige Elektrolyte, verwenden Sie hochreine Materialien und verbessern Sie die Separatorqualität. Entdecken Sie unsere kundenspezifische Batterieausrüstung für maßgeschneiderte Lösungen.

(2) Kontrollierte Lagerbedingungen:

• Temperatur: Bei 10 °C–25 °C lagern (<0 °C vermeiden).

• SOC: Halten Sie bei Langzeitlagerung einen SOC von 40–60 % aufrecht. Volle Ladung beschleunigt die Elektrolytoxidation; bei Tiefentladung besteht die Gefahr einer Anodenschädigung.

(3) Regelmäßiges Aufladen:

Überwachen Sie bei nicht genutzten Batterien die Spannung/den Ladezustand und laden Sie sie bei niedrigem Ladezustand auf ca. 50 % auf, um eine Tiefentladung zu verhindern.

(4) Strenge Fertigungskontrolle:

Minimieren Sie Verunreinigungen/Metallstaub und gewährleisten Sie die Integrität des Separators. Batteriematerialversorgung bietet hochreine Materialien zur Reduzierung des Kontaminationsrisikos.

Abschluss