Akku des Spring - Technik

Aber die allgemeine, alte Regel bleibt...

"Hohe Ladezustände sind schädlicher als tiefe".



Ich glaube wir sind hier auch etwas vom eigentlichen Thema abgekommen.
 
First Dacia schrieb:
Ich Frage mich jetzt aber schon wie aktuell diese Erkenntnisse noch sind.
Das alles scheint ja aus 2016 zu sein.

Auch wenn die Degradation der Akkuzelle im leeren Zustand gestoppt wird, beginnt doch gerade dann vermehrt die Bildung von Dendriten....und diese führen dann letztendlich zum Kurzschluss der Zelle.

Oder wie seht ihr das?
Zum Vergrößern anklicken....
Da ist mein Wissensstand ein anderer. Plating bzw Bildung von Dendriten passiert da aus anderen Gründen. Der SOC ist da nicht der treibende Faktor. Eher die physischen Effekte, wenn zb zu schnell und/oder bei zu kaltem Akku geladen wird.

Ich hab darauf hin mal eine KI des geringsten Misstrauens gefragt:


"Lithium-Plating und die Bildung von Dendriten sind unerwünschte Prozesse in Lithium-Ionen-Batterien, die die Lebensdauer, Leistung und Sicherheit erheblich beeinträchtigen können. Sie treten auf, wenn Lithium-Ionen nicht wie gewünscht in die Anode (meist Graphit) interkalieren, sondern sich stattdessen als metallisches Lithium auf der Anodenoberfläche abscheiden.
Die Hauptbedingungen, die Lithium-Plating und die Dendritenbildung begünstigen, sind:
* Hohe Ladeströme (hohe C-Raten):
* Grund: Bei zu schnellem Laden können die Lithium-Ionen nicht schnell genug in die Graphitanode aufgenommen werden. Die Interkalationskinetik ist überfordert, wodurch das Potential der Anode unter das reversible Lithiumpotential (< 0 V vs. Li/Li$^+$) sinken kann. Dies führt dazu, dass sich Lithium bevorzugt als Metall abscheidet.
* Folge: Schnelles Laden erhöht das Risiko von Plating und Dendritenbildung erheblich.
* Niedrige Temperaturen:
* Grund: Bei niedrigen Temperaturen verlangsamen sich alle elektrochemischen Prozesse, einschließlich der Diffusion von Lithium-Ionen im Elektrolyten und der Interkalation in die Anode. Die Viskosität des Elektrolyten nimmt zu, und die Leitfähigkeit sinkt.
* Folge: Selbst bei moderaten Ladeströmen kann es bei Kälte zu einer unzureichenden Interkalation und damit zu Lithium-Plating kommen. Temperaturen unter 25 °C werden als kritisch für Lithium-Metallabscheidung angesehen.
* Hoher Ladezustand (SOC - State of Charge):
* Grund: Gegen Ende des Ladevorgangs ist die Anode bereits weitgehend mit Lithium gesättigt, und es stehen weniger freie Interkalationsplätze zur Verfügung. Das Potential der Anode sinkt weiter ab.
* Folge: Das Risiko für Lithium-Plating steigt, da die Lithium-Ionen "gezwungen" werden, sich außerhalb der Struktur abzuscheiden.
* Inhomogenitäten der Anodenoberfläche und des SEI (Solid Electrolyte Interphase):
* Grund: Ungleichmäßigkeiten auf der Anodenoberfläche oder in der schützenden SEI-Schicht (die sich beim ersten Laden bildet) können zu lokalen Ladungskonzentrationen und ungleichmäßigem Lithiumfluss führen.
* Folge: An diesen "Hotspots" oder Defekten können Lithium-Ionen bevorzugt abscheiden und das Wachstum von Dendriten initiieren. Eine instabile oder ständig aufbrechende SEI-Schicht fördert ebenfalls die Abscheidung von neuem Lithium und das Wachstum von Dendriten.
* Elektrolyt-Zusammensetzung und -Eigenschaften:
* Grund: Die Eigenschaften des Elektrolyten (z.B. Viskosität, Ionenleitfähigkeit, Wechselwirkung mit der Elektrodenoberfläche) beeinflussen die Transportkinetik der Lithium-Ionen. Auch die mechanischen Eigenschaften des Elektrolyten (z.B. Schermodul bei Festkörperelektrolyten) spielen eine Rolle.
* Folge: Ungünstige Elektrolytformulierungen können die Dendritenbildung begünstigen. Forschung zielt darauf ab, Elektrolyte zu entwickeln, die das Dendritenwachstum hemmen.
* Mechanischer Stress:
* Grund: Wiederholtes Laden und Entladen führt zu Volumenänderungen der Lithium-Elektrode. Bei metallischen Lithium-Elektroden kann dies zum Aufreißen der SEI-Schicht führen, wodurch immer wieder neues, unreaktives Lithium freigelegt wird.
* Folge: Dieser mechanische Stress fördert die Bildung und das Wachstum von Dendriten.
Wie Lithium-Plating zu Dendriten führt:
Lithium-Plating ist die initiale Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anodenoberfläche. Wenn diese Abscheidung ungleichmäßig erfolgt, bilden sich kleine Vorsprünge oder Keime. Aufgrund des Prinzips der Feldverstärkung konzentriert sich die elektrische Feldstärke an den Spitzen dieser Vorsprünge. Dies zieht weitere Lithium-Ionen an, die sich dort bevorzugt abscheiden, was zu einem beschleunigten Wachstum in Form von nadel- oder baumartigen Strukturen führt – den sogenannten Lithium-Dendriten.
Gefahren der Dendriten:
* Kurzschluss: Wenn Dendriten lang genug wachsen, können sie den Separator durchdringen und die Kathode erreichen, was zu einem internen Kurzschluss und damit zu Überhitzung, Brand oder sogar Explosion der Batterie führen kann.
* Kapazitätsverlust: Abgeschiedenes Lithium kann mit dem Elektrolyten reagieren und eine irreversible SEI bilden oder sich vom Kontakt zur Elektrode lösen ("dead lithium"), was zu einem permanenten Kapazitätsverlust der Batterie führt.
* Erhöhter Innenwiderstand: Die wiederholte Bildung und Zerstörung der SEI und das Vorhandensein von Plating erhöhen den Innenwiderstand der Zelle, was die Leistung mindert.
Um Lithium-Plating und Dendritenbildung zu vermeiden, werden Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt, die Ladeströme und Temperaturen überwachen und anpassen, um die Betriebsbedingungen innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Auch die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien, Elektrolytformulierungen und Zellkonstruktionen zielt darauf ab, diese Probleme zu minimieren."
 
launacorp schrieb:
Da ist mein Wissensstand ein anderer. Plating bzw Bildung von Dendriten passiert da aus anderen Gründen. Der SOC ist da nicht der treibende Faktor. Eher die physischen Effekte, wenn zb zu schnell und/oder bei zu kaltem Akku geladen wird.

Ich hab darauf hin mal eine KI des geringsten Misstrauens gefragt:


"Lithium-Plating und die Bildung von Dendriten sind unerwünschte Prozesse in Lithium-Ionen-Batterien, die die Lebensdauer, Leistung und Sicherheit erheblich beeinträchtigen können. Sie treten auf, wenn Lithium-Ionen nicht wie gewünscht in die Anode (meist Graphit) interkalieren, sondern sich stattdessen als metallisches Lithium auf der Anodenoberfläche abscheiden.
Die Hauptbedingungen, die Lithium-Plating und die Dendritenbildung begünstigen, sind:
* Hohe Ladeströme (hohe C-Raten):
* Grund: Bei zu schnellem Laden können die Lithium-Ionen nicht schnell genug in die Graphitanode aufgenommen werden. Die Interkalationskinetik ist überfordert, wodurch das Potential der Anode unter das reversible Lithiumpotential (< 0 V vs. Li/Li$^+$) sinken kann. Dies führt dazu, dass sich Lithium bevorzugt als Metall abscheidet.
* Folge: Schnelles Laden erhöht das Risiko von Plating und Dendritenbildung erheblich.
* Niedrige Temperaturen:
* Grund: Bei niedrigen Temperaturen verlangsamen sich alle elektrochemischen Prozesse, einschließlich der Diffusion von Lithium-Ionen im Elektrolyten und der Interkalation in die Anode. Die Viskosität des Elektrolyten nimmt zu, und die Leitfähigkeit sinkt.
* Folge: Selbst bei moderaten Ladeströmen kann es bei Kälte zu einer unzureichenden Interkalation und damit zu Lithium-Plating kommen. Temperaturen unter 25 °C werden als kritisch für Lithium-Metallabscheidung angesehen.
* Hoher Ladezustand (SOC - State of Charge):
* Grund: Gegen Ende des Ladevorgangs ist die Anode bereits weitgehend mit Lithium gesättigt, und es stehen weniger freie Interkalationsplätze zur Verfügung. Das Potential der Anode sinkt weiter ab.
* Folge: Das Risiko für Lithium-Plating steigt, da die Lithium-Ionen "gezwungen" werden, sich außerhalb der Struktur abzuscheiden.
* Inhomogenitäten der Anodenoberfläche und des SEI (Solid Electrolyte Interphase):
* Grund: Ungleichmäßigkeiten auf der Anodenoberfläche oder in der schützenden SEI-Schicht (die sich beim ersten Laden bildet) können zu lokalen Ladungskonzentrationen und ungleichmäßigem Lithiumfluss führen.
* Folge: An diesen "Hotspots" oder Defekten können Lithium-Ionen bevorzugt abscheiden und das Wachstum von Dendriten initiieren. Eine instabile oder ständig aufbrechende SEI-Schicht fördert ebenfalls die Abscheidung von neuem Lithium und das Wachstum von Dendriten.
* Elektrolyt-Zusammensetzung und -Eigenschaften:
* Grund: Die Eigenschaften des Elektrolyten (z.B. Viskosität, Ionenleitfähigkeit, Wechselwirkung mit der Elektrodenoberfläche) beeinflussen die Transportkinetik der Lithium-Ionen. Auch die mechanischen Eigenschaften des Elektrolyten (z.B. Schermodul bei Festkörperelektrolyten) spielen eine Rolle.
* Folge: Ungünstige Elektrolytformulierungen können die Dendritenbildung begünstigen. Forschung zielt darauf ab, Elektrolyte zu entwickeln, die das Dendritenwachstum hemmen.
* Mechanischer Stress:
* Grund: Wiederholtes Laden und Entladen führt zu Volumenänderungen der Lithium-Elektrode. Bei metallischen Lithium-Elektroden kann dies zum Aufreißen der SEI-Schicht führen, wodurch immer wieder neues, unreaktives Lithium freigelegt wird.
* Folge: Dieser mechanische Stress fördert die Bildung und das Wachstum von Dendriten.
Wie Lithium-Plating zu Dendriten führt:
Lithium-Plating ist die initiale Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anodenoberfläche. Wenn diese Abscheidung ungleichmäßig erfolgt, bilden sich kleine Vorsprünge oder Keime. Aufgrund des Prinzips der Feldverstärkung konzentriert sich die elektrische Feldstärke an den Spitzen dieser Vorsprünge. Dies zieht weitere Lithium-Ionen an, die sich dort bevorzugt abscheiden, was zu einem beschleunigten Wachstum in Form von nadel- oder baumartigen Strukturen führt – den sogenannten Lithium-Dendriten.
Gefahren der Dendriten:
* Kurzschluss: Wenn Dendriten lang genug wachsen, können sie den Separator durchdringen und die Kathode erreichen, was zu einem internen Kurzschluss und damit zu Überhitzung, Brand oder sogar Explosion der Batterie führen kann.
* Kapazitätsverlust: Abgeschiedenes Lithium kann mit dem Elektrolyten reagieren und eine irreversible SEI bilden oder sich vom Kontakt zur Elektrode lösen ("dead lithium"), was zu einem permanenten Kapazitätsverlust der Batterie führt.
* Erhöhter Innenwiderstand: Die wiederholte Bildung und Zerstörung der SEI und das Vorhandensein von Plating erhöhen den Innenwiderstand der Zelle, was die Leistung mindert.
Um Lithium-Plating und Dendritenbildung zu vermeiden, werden Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt, die Ladeströme und Temperaturen überwachen und anpassen, um die Betriebsbedingungen innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Auch die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien, Elektrolytformulierungen und Zellkonstruktionen zielt darauf ab, diese Probleme zu minimieren."
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Hatte ich anscheinend nicht ganz korrekt in Erinnerung.
Habe "Tiefentladung" mit "niedrigen Ladezuständen" verwechselt.

Mein Fehler.
 
LFP-Akkus regelmäßig bis 100 Prozent laden – warum?

Warum einige Batterien von Mercedes, Tesla, Ford und Co. regelmäßig bis 100 Prozent SoC geladen werden müssen – und andere Akkus nicht.

Hersteller wie Tesla, Ford – und inzwischen auch Mercedes-Benz – fordern ihre Kunden explizit dazu auf, den Akku ihres Elektroautos regelmäßig auf 100 Prozent (SoC – State of Charge) voll zu laden. Was auf den ersten Blick wie ein Widerspruch zur Akkuschonung wirkt, hat einen klaren technischen Hintergrund. Denn bei den entsprechenden Fahrzeugen handelt es sich um Modelle mit günstigeren, robusteren und langlebigeren Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP). Im Gegensatz zu herkömmlichen NMC-Zellen (steht für Nickel-Mangan-Cobalt-Chemie), kommen diese LFP-Akkus ohne kostbares Nickel und Kobalt aus.

Auch LFP-Akkus haben einen Wohlfühlbereich

Der LFP-Akku gilt als besonders robust, thermisch stabil und langlebig. Diese Eigenschaften sind einer der Gründe, warum immer mehr Hersteller auf diese Zellchemie setzen. Unverwüstlich sind jedoch auch LFP-Zellen nicht. Studien zeigen deutlich, dass auch LFP-Akkus ein lebensdauerrelevantes Betriebsfenster besitzen. Am schnellsten altern die Zellen, die ausschließlich zwischen 75 und 100 Prozent SoC betrieben werden.

Deutlich länger halten die Zellen, die in niedrigen Ladezuständen genutzt werden. Selbst ein Betrieb über das komplette Fenster von 0 bis 100 Prozent SoC führt zu weniger Alterung als der dauerhafte Aufenthalt im oberen Ladebereich. Die Ursache sind unerwünschte Nebenreaktionen bei hohen Zellspannungen, bei denen Lithium-Ionen dauerhaft gebunden werden. Da diese Ionen für den Stromfluss verantwortlich sind, sinkt mit ihrer Bindung zwangsläufig die nutzbare Kapazität.

Warum Hersteller auf Vollladungen bestehen

Warum also verlangen Hersteller bei LFP-Akkus dennoch regelmäßige Vollladungen?
Der Hauptgrund für das regelmäßige Laden auf 100 % ist kein chemischer Zwang, sondern ein messtechnisches Problem des Batteriemanagementsystems (BMS). Das BMS überwacht jede einzelne Zelle im Akku. Es misst Zellspannungen, Temperaturen sowie Lade- und Entladeströme und berechnet daraus unter anderem den aktuellen Ladezustand (SoC) und die Reichweite. Damit das zuverlässig funktioniert, benötigt das System möglichst eindeutige Messwerte.

Die beispielhaften OCV-Kurven von NMC- und LFP-Akku im Vergleich über die verschiedenen SOC-Stände.

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Bei NMC-Zellen sinkt die Spannung während der Entladung sehr linear und deutlich ab. Das BMS kann also präzise ablesen, ob der Akku noch 60 % oder 40 % Ladung hat. LFP-Zellen haben dagegen eine extrem flache Spannungskurve. Über weite Strecken (ca. zwischen 10 % und 90 % Ladestand) bleibt die Spannung fast identisch.

LFP- und NMC-Zellen entscheiden sich grundlegend beim Spannungsprofil.

NMC-Zellen besitzen eine relativ steile OCV-Kurve (Open Circuit Voltage). Mit steigendem oder sinkendem Ladezustand verändert sich die Zellspannung also deutlich. Dadurch kann das BMS den SoC allein anhand der gemessenen Spannung relativ präzise bestimmen. LFP-Zellen hingegen weisen ein sehr flaches Spannungsprofil auf. Über einen großen Bereich – grob zwischen 20 und 80 Prozent SOC – bleibt die Zellspannung nahezu konstant. Erst kurz vor der vollständigen Entladung oder nahe der Vollladung steigt beziehungsweise fällt sie deutlich ab.

Für das BMS ist das problematisch: Bei einer Zellspannung von rund 3,3 Volt kann der Ladezustand sowohl bei 20 als auch bei 80 Prozent liegen. Die Spannung liefert also kaum Informationen über den tatsächlichen Energieinhalt.

Kalibrierung statt Akkuschonung

Um den Ladezustand dennoch zu berechnen, nutzt das BMS bei LFP-Akkus das sogenannte Coulomb-Counting. Dabei wird die ein- und ausfließende Strommenge über die Zeit integriert. Diese Methode ist jedoch nicht perfekt. Messungenauigkeiten, Temperaturschwankungen, Alterung und unterschiedliche Lastprofile führen dazu, dass sich mit der Zeit Fehler aufsummieren. Die Folge: SoC- und Reichweitenanzeige werden zunehmend ungenau.

Abhilfe schafft ein eindeutiger Referenzpunkt – und den liefert die LFP-Zelle kurz vor der Vollladung. In diesem Bereich steigt die Zellspannung deutlich an. Dieser Spannungsanstieg ermöglicht es dem BMS, seine Berechnungen neu zu kalibrieren und die SoC-Ermittlung wieder auf eine verlässliche Basis zu stellen. Das regelmäßige Laden auf 100 Prozent dient bei LFP-Akkus daher nicht primär der Nutzung der maximalen Kapazität, sondern der Kalibrierung des Batteriemanagementsystems.

Praxisbeispiel: Mercedes CLA 200 EQ

Mit dem CLA 200 EQ setzt Mercedes-Benz erstmals im CLA auf eine Hochvoltbatterie mit LFP-Zellchemie. Der 58-kWh-Akku gilt als besonders kosteneffizient und langlebig. Mercedes weist jedoch ausdrücklich auf eine Besonderheit der LFP-Technologie hin. Hinweise zur Kalibrierung finden sich im Handbuch des CLA 200 EQ. Zusätzlich unterstützt das Fahrzeug den Fahrer aktiv: Erkennt das System, dass eine erneute Kalibrierung sinnvoll ist, weist die Head-Unit automatisch darauf hin. Voraussetzung sind unter anderem eine Außentemperatur von mindestens 10 Grad Celsius und ein eingestellter maximaler Ladezustand von 100 Prozent.

Für eine vollständige Kalibrierung sieht Mercedes unter anderem vor, das Fahrzeug zunächst mit niedrigem Ladezustand abzustellen, anschließend wie gewohnt zu nutzen und bei einem der nächsten Ladevorgänge im verriegelten Zustand vollständig zu laden. Danach sollte das Fahrzeug mehrere Stunden – idealerweise über Nacht – verbunden mit der Ladeinfrastruktur stehen bleiben. Ein eventuell notwendiges Nachladen erfolgt automatisch.

Im Alltag gilt jedoch: Wer den CLA 200 EQ gelegentlich bis 100 Prozent lädt, muss sich um dieses Procedere nicht kümmern. Die Kalibrierung erfolgt dann im Hintergrund, ohne dass ein aktives Eingreifen notwendig ist. Unterbleibt die Kalibrierung über längere Zeit, arbeitet das System vorsichtiger. Reichweite, Ladezustand und mögliche Ladeleistung werden konservativ berechnet, um die Batterie zu schützen. Nach einer erfolgreichen Kalibrierung stehen wieder präzise Anzeigen zur Verfügung.

Fazit
LFP-Akkus sind robust, langlebig und zyklenfest – moderne Zellen erreichen problemlos 6.000 Ladezyklen und mehr. Dennoch altern auch sie schneller, wenn sie dauerhaft in hohen Ladezuständen betrieben werden. Studien zeigen klar, dass insbesondere der permanente Betrieb zwischen 75 und 100 Prozent SoC die Lebensdauer verkürzt.

Dass Hersteller dennoch regelmäßige Vollladungen verlangen, ist kein Widerspruch, sondern ein technischer Kompromiss. Das Laden auf 100 Prozent dient der Kalibrierung des Batterie-Management-Systems und damit der Genauigkeit von SoC- und Reichweitenanzeigen – nicht der Schonung der Zelle."

Quelle

Obach an die zukünftigen Spring Besitzer mit LFP Akku - unter 10% könnte der Akku plötzlich unzureichend Strom liefern und u.U. zum "Liegenbleiben" sorgen....es sei den Dacia baut ein ähnlich genaues BMS ein wie in den aktuellen NMC Akkus ein. Das möchte ich wirklich ausdrücklich loben welch zuverlässige Daten es an den Reichweiten Rechner liefert, auf den ist 100% Verlass!
 

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