Lebensdauer
Die Lebensdauer einer wieder aufladbaren Batterie ist die Zeitspanne zwischen dem Auslieferungszeitpunkt (englisch Begin of Life, Abkürzung: BoL oder BOL) und dem Zeitpunkt, zu dem zuvor definierte Werte durch Alterung unterschritten werden, (englisch End of Life, Abkürzung: EoL oder EOL). Die Lebensdauer gibt also Auskunft darüber, wie lange eine Batterie als Energiespeicher für eine bestimmte Anwendung mit verschmerzbaren Leistungseinbußen eingesetzt werden kann. Eine genaue Zeitangabe ist schwierig, weil die Lebensdauer von sehr vielen Faktoren abhängt und nicht einfach zu bestimmen ist.
Das End of Life, also das Ende der Lebensdauer, bedeutet nicht zwangsläufig, dass eine Batterie nicht mehr funktioniert. Es werden nur Parameter für eine Batterie definiert, die nicht unter- oder überschritten werden dürfen. Oft ist dies die Kapazität, also die Menge der Energie, die in einer Batterie gespeichert werden kann. Fällt die Kapazität unter einen bestimmten definierten Wert, ist demnach ihre Lebensdauer überschritten und ihr End of Life erreicht. Meist ist der Energiespeicher dann noch nutzbar, aber er muss bei gleichen Nutzungsbedingungen schneller wieder aufgeladen werden als zum Beginn of Life. Dieses Phänomen kennen viele von Batterien für Handys: Wird eine gewisse Kapazitätsgrenze unterschritten, ist die Nutzungszeit so knapp, dass man sich eine neue Batterie zulegen muss, um das Gerät für eine erträgliche Dauer nutzen zu können. Eine solche „erträgliche Nutzungsdauer“, die ein Energiespeicher mindestens leisten sollte, hängt aber von der Anwendung ab.
So werden mittlerweile Batterien, die in Elektroautos eingesetzt werden, durch neue ersetzt, wenn der Verlust der Reichweite der Elektroautos für den Kunden nicht mehr akzeptabel ist. Diese Grenze wird häufig auf 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität (Nennkapazität) festgelegt. Danach werden diese Batterien heute aber teilweise noch über Jahre hinweg in stationären Speichern zur Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien verwendet – sie führen dann ein zweites Leben als Energiespeicher, was als englisch Second Life oder 2nd Life bezeichnet wird. Denn für stationäre Speicher steht oft weitaus mehr Platz zur Verfügung, um viele Batterien mit geringerer Kapazität unterzubringen, als in einem Pkw.
Die Lebensdauer ist aber nicht nur von der Anwendung abhängig, sondern auch von weiteren Faktoren wie Batterietyp, Ladezustand der Batterie, Umgebungstemperatur, Zyklenzahl, Entladetiefe und teilweise der Zeit (unabhängig von der Nutzung). Da diese Faktoren im alltäglichen Gebrauch praktisch nie gleich sind, lassen sich kaum konkrete Aussagen über die Lebensdauer einzelner Batterien treffen, wohl aber Näherungswerte angeben, die aber je nach Bestimmungsmethode stark schwanken können. Es ist deshalb bei allen Lebensdauerangaben genau auf die Definition zu achten und es sollten nur Lebensdauerangaben verglichen werden, die unter gleichen Bedingungen ermittelt wurden.
Die Kapazität einer Batterie – also die Menge der entnehmbaren Energie – nimmt im Laufe der Nutzung ab. Bei Lithium-Ionen-Batterien sogar teilweise nur mit der Zeit, ohne, dass sie benutzt werden, was als kalendarische Lebensdauer bezeichnet wird.
Bei manchen Batterietypen können durch den sogenannten Memory-Effekt oder Lazy-Battery-Effekt Veränderungen entstehen, die zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen, wenn sie häufig nur teilentladen werden. Dies ist etwa bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien der Fall. Lädt man etwa eine Nickel-Cadmium-Batterie dauerhaft mit niedrigen elektrischen Strömen oder lädt sie auf, bevor sie komplett entlanden ist, entstehen an der Kathode metallische Kristalle. Dadurch verringert sich die verfügbare Kapazität der Elektrode bei gegebener Belastung zunehmend, sodass die Batterie nur noch für wenige Minuten die nötige elektrische Spannung liefert. Ist eine NiCd-Batterie durch den klassischen Memory-Effekt lahmgelegt, kann er durch vollständige Entladung mit einem speziellen Refreshing-Gerät wieder reaktiviert werden. Moderne Ladegeräte vermeiden den Memory-Effekt durch exakte Messung des Ladezustands sowohl vor der eigentlichen Ladung als auch beim Erreichen der maximalen Kapazitätsgrenze.
Gründe für die Alterung einer Batterie
Wie Menschen haben Batterien nur eine begrenzte Lebensdauer, weil sie altern: Materialien in einer Batterie verschleißen und die chemischen Verbindungen, die für die Speicherung der Energie verantwortlich sind, werden langsam zersetzt, wodurch es zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Batterie kommt (z. B. geringere Kapazität und damit verbunden eine geringere Energiedichte). Größtenteils passiert das beim Auf- und Entladen. Werden Batterien dabei stark gefordert, kommt es durch die hohen Stromstärken oft zu hohen Temperaturen in den Batterien, welche unerwünschte chemische Reaktionen erzeugen. Dadurch können die Elektrodenmaterialien irreversibel geschädigt und die Alterung der Zelle beschleunigt werden. Die Kapazität nimmt mit der Zeit ab, es kommt zu einem Anstieg des Innenwiderstands und einer entsprechenden Leistungsabnahme. Auch hohe Außentemperaturen tragen zur Alterung bei. Je höher die Temperatur ist, umso schneller laufen diese Prozesse ab und umso geringer ist die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Bedingungen ist deshalb eine aktive Kühlung notwendig. Auch Tiefentladungen können eine Ursache für die frühzeite Alterung einer Batterie sein.
Lebensdauer-Begriffe
Um Angaben über die Lebensdauer treffen zu können, gibt es verschiedene Methoden: die Design-Lebensdauer (Gebrauch in der Theorie), die Haltbarkeit (Gebrauch im Labor) und die Brauchbarkeitsdauer (Gebrauch in der Praxis).
Zu Bestimmung der Design-Lebensdauer (Synonym: erwartete Lebensdauer) werden die Auslegung und Ausführung der einzelnen Komponenten und deren Parameter, welche die Lebensdauer begrenzen, aus Haltbarkeitstest betrachtet. Daraus wird ein theoretischer Wert für die Lebensdauer abgeleitet.1
Zur Bestimmung der Haltbarkeit (Synonyme: Zyklenlebensdauer, Haltbarkeitsdauer, Floatlebensdauer) wird die Lebensdauer einer bestimmten Anzahl Batterien eines Typs mit gleichen Spezifikationen unter definierten und teilweise genormten Bedingungen im Labor ermittelt. Die Batterien werden nach streng geregelten Mustern ent- und aufgeladen. Dabei werden äußerliche Faktoren wie die Temperatur konstant gehalten. Als Ergebnis erhält man eine Anzahl an Zyklen, die vollzogen werden können, bis die definierten Lebensdauerfaktoren überschritten sind. Deshalb wird diese Form der Lebensdauerangabe auch als Zyklenlebensdauer (oder Zykluslebensdauer, vgl. Zyklus) bezeichnet (z. B. sagt man „eine Lebensdauer von zehn Jahren oder 3.000 Zyklen“). Weil solche Tests unter normalen Bedingungen viel zu lange dauern würden, werden oft Bedingungen gewählt, welche die Alterung (definiert) beschleunigen.1
Schließlich kann die Lebensdauer auch über den Gebrauch in der Praxis bestimmt werden. Dann spricht man von der Brauchbarkeitsdauer (Synonym: Gebrauchsdauer, Gebrauchsdauererwartung, Praxisgebrauchsdauer). Die Werte werden dabei im Feld unter optimalen Bedingungen ermittelt. Die Brauchbarkeitsdauer beschreibt den Zeitraum, in dem eine bestimmte spezifizierte Kapazität oder Leistung genutzt werden kann. Dabei sind stets die optimalen Anwendungs- und Einsatzbedingungen anzugeben.1
Literatur
- ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V., Fachverband Batterien, Hrsg., Definition verschiedener Lebensdauer-Begriffe für Batterien, ZVEI Merkblatt Nr. 23, Ausgabe August 2013, Frankfurt a. M.
- Rahimzei, E., Sann, K., Vogel, M, Kompendium: Li-Ionen-Batterien im BMWi Förderprogramm IKT für Elektromobilität II: Smart Car – Smart Grid – Smart Traffic, Grundlagen, Bewertungskriterien, Gesetze und Normen, VDE Verband der Elektrotechnik: Frankfurt a. M., (2015)