Grundlagen der Batterieleistung: Kernparameter und ihre Wechselwirkungen

Batteriekapazität (mAh): ein Maß für die Batterieleistung

1. Definition und Wesen

Die Batteriekapazität wird in Milliamperestunden (mAh) angegeben, was das Produkt aus Strom (Milliampere, mA) und Zeit (Stunden, h) ist. Ein Beispiel für eine 1000-mAh-Batterie ist:

Bei einer Entladung mit 1000 mA (1 A) beträgt die Dauer 1 Stunde;

Bei einer Entladung mit 500 mA beträgt die Dauer 2 Stunden.

Grundsätzlich misst mAh die gesamte elektrische Ladung, die eine Batterie speichern kann, ohne die Spannung einzubeziehen – ähnlich wie das "Wasservolumen" eines Eimers.

2. Häufiges Missverständnis: Hohe mAh-Kapazität ≠ Längere Batterielebensdauer

Fehlvorstellung: Die Annahme, dass eine 5000-mAh-Batterie definitiv länger hält als eine 3000-mAh-Batterie.

Die Realität: Die Batterielebensdauer wird durch die Energie (Wh) bestimmt, nicht nur durch die Kapazität.

 

Energiedichte (Wh/kg): der zentrale Indikator für Portabilität

1. Definition und Bedeutung

Die Energiedichte bezeichnet die Menge an Energie, die pro Gewichtseinheit einer Batterie (Wh/kg) gespeichert werden kann, und ist ein entscheidender Parameter zur Beurteilung der „Schlankheitsfähigkeit“ einer Batterie:

Volumetrische Energiedichte (Wh/L): beeinflusst die Dicke von Geräten (z. B. Smartphone-Akkus);

Gewichtete Energiedichte (Wh/kg): bestimmt die Gewichtsreduktion von Geräten (z. B. Reichweite von Elektrofahrzeugen).

2. Vergleich der Energiedichte verschiedener Technologien.

Batterietyp	Massenspezifische Energiedichte (Wh/kg)	Typische Anwendungen
Blei-Säure-Batterie	50-70	Starthilfebatterie für Elektrofahrzeuge
Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie	140-200	Energiespeicherkraftwerke, Nutzfahrzeuge
Ternäre Lithiumbatterie	250-350	Elektrofahrzeuge, High-End-Mobiltelefone
Feststoff-Lithium-Batterie	350-500 (in Entwicklung)	Nächste Generation Elektrofahrzeuge und Drohnen

3. Das Doppelschwert der Energiedichte

Vorteile: Wenn die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien mit drei Komponenten 300 Wh/kg erreicht, kann die Reichweite von Elektrofahrzeugen über 600 km betragen;

Herausforderung: Mit jedem 10 % Zuwachs an Energiedichte erhöht sich das Risiko eines thermischen Durchgangs um 15 %, wodurch ein komplexeres Temperaturregelsystem erforderlich wird.

 

Lade- und Entladekurven: das „Elektrokardiogramm“ der Batterieleistung

1. Der elektrochemische Code hinter der Kurve

Die Lade- und Entladekurve spiegelt das Gesetz wider, wie sich die Batteriespannung mit der Leistung ändert, mit typischen Merkmalen:

Ladephase:

Konstantstromladen (Spannung steigt schnell an);

Konstantspannungsladen (Strom nimmt allmählich ab, Spannung erreicht ein Plateau).

Entladephase:

Die Spannung fällt zunächst schnell ab, tritt danach in eine stabile Plateauphase ein und sinkt am Ende stark ab bis zur Abschaltspannung.

 

2. Wichtige Parameteranalyse

Spannungsplateau: Der Bereich, in dem die Spannung während der Entladung stabil bleibt. Je höher und länger das Plateau, desto besser die Batterieleistung.

Beispiel: Das Entladespannungsplateau einer Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie beträgt 3,2 V, während das einer ternären Lithiumbatterie 3,7 V beträgt; letztere verfügt über eine höhere Energiedichte.

Polarisationsphänomen: Die Spannung sinkt bei hoher Entladeströmung schneller ab (z. B. ist die Spannung bei 10C-Entladung 0,5 V niedriger als bei 1C-Entladung), bedingt durch erhöhte Innenwiderstandsverluste.

3. Zusammenhang zwischen der Kurve und Anwendungsszenarien

Beschleunigung von Elektrofahrzeugen: erfordert Hochstromentladung (5-10C) und benötigt eine flache Kurvenplattform (geringe Spannungsschwankung);

Spitzenglättung bei Energiespeicherung: Langzeitentladung mit geringem Strom (unter 0,5C), wobei Plattformstabilität wichtiger ist.

 

Zyklenlebensdauer: Ein Timer für die Batteriehaltbarkeit

1. Definition und Standards

Die Zyklenlebensdauer bezieht sich auf die Anzahl der vollständigen Zyklen von vollständiger Ladung bis Entladung (DOD=100 %) und anschließender vollständiger Wiederaufladung, bis die Kapazität auf 80 % des Nennwerts abgenommen hat.

Typische Daten:

Lithium-Ionen-Batterie mit drei Komponenten: 1000 Zyklen (DOD=100%);

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie: 3000 Zyklen (DOD=100%);

Blei-Säure-Batterie: 500 Zyklen (DOD=80%);

2. Die „vier Killer“, die die Zyklenlebensdauer beeinflussen

Überladen und Tiefentladen: Laden über 4,3 V oder Entladen unter 2,5 V verursacht dauerhafte Schäden an der Elektrodenstruktur;

Hohe Umgebungstemperatur: Lagerung bei 60 °C für 1 Monat, Lebensdauer verkürzt sich um 50 %;

Hochstromladen und -entladen: Schnellladen mit 10C reduziert die Anzahl der Zyklen um 30 % im Vergleich zum Schnellladen mit 0,5C;

Langfristige Lagerung bei voller Ladung: Wenn ein Lithium-Akku einen Monat lang vollgeladen gelagert wird, sinkt die Kapazität um 5 %.

3. Die goldene Regel zur Lebensverlängerung

Flaches Laden und Entladen: Halten Sie den SOC für den täglichen Gebrauch zwischen 20 % und 80 % (z. B. laden Sie Ihr Telefon, wenn der Akku bei 20 % ist).

Hohe Temperaturen vermeiden: Vermeiden Sie direktes Sonnenlicht beim Laden Ihres Elektrofahrzeugs. Wenn die Innentemperatur des Fahrzeugs im Sommer 60 °C überschreitet, nimmt die Batterielebensdauer rapide ab.

Regelmäßiges Tiefentladen und Vollladen: Führen Sie alle 3 Monate eine vollständige Ladung bis zur Entladung durch und kalibrieren Sie die BMS-Ladeanzeige.

 

Der „Kettenreaktionseffekt“ der Kernparameter

1. Der Kompromiss zwischen Energiedichte und Zyklenlebensdauer

Ternäre Lithiumbatterien weisen eine hohe Energiedichte, aber eine kurze Zyklenlebensdauer auf, wodurch sie für Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite geeignet sind.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien haben eine lange Zyklenlebensdauer, aber eine geringe Energiedichte, weshalb sie besser für Energiespeicherkraftwerke geeignet sind (die häufiges Laden und Entladen erfordern).

2. Das Zusammenspiel zwischen Kapazität und Lade/Entladekurven

Batterien mit hoher Kapazität (z. B. 5000 mAh) haben in der Regel einen höheren Innenwiderstand, wodurch die Spannungsplattform bei Entladung mit hohem Strom stärker abfällt;

Bei gleicher Kapazität haben Batterien mit einer höheren Spannungsplattform (z. B. 3,7 V gegenüber 3,2 V) eine höhere Energiedichte, dies kann jedoch mit höheren Polarisationsverlusten einhergehen.