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Ablauf des Ladeprozesses
Lithium-Batterien werden mit Konstant-Strom geladen, bis eine Spannung von 4,2 V an den Zellen erreicht ist. Sodann wird die Spannung konstant gehalten und die Ladung noch eine gewisse Zeit fortgesetzt. Das Ladegerät schaltet daraufhin entweder nach vorgegebener Zeit, oder wenn ein Minimalstrom erreicht ist, die Weiterladung ab. Für den seltenen Fall, dass das Ladegerät einmal nicht abschalten sollte, also weiter den Ladestrom durchlässt, gibt es eine elektronische Schutzschaltung und eventuell ein passives Sicherheitselement, welche sich an der Zelle befinden. Diese Schutzmechanismen gewährleisten die Sicherheit der Nutzer. Doch welche Gefahren können beim Überladen oder Tiefentladen von Batterien entstehen?
Allgemein gilt: Um Lithium-Batterien sicher zu betreiben und die Lebensdauer zu optimieren, sollten sie weder überladen noch tiefentladen werden.
Was passiert beim Überladen einer Batterie?
Wenn weder Ladegerät noch Schutzschaltung den Ladeprozess stoppen, dann gelangt immer mehr Energie in die Zelle. Als Resultat steigt die Spannung in der Zelle an – man spricht vom Überladen. Das ist einerseits schädlich für die Batterie und schlecht für die Lebensdauer. Andererseits kann daraus vor allem ein Sicherheitsrisiko für den Nutzer entstehen. Durch Wärmeentwicklung wird die überschüssige Energie verbraucht. „Im schlimmsten Fall kann es dabei zum sogenannten ‚Thermal Runaway‘ kommen. Das bedeutet, dass die Temperatur in der Zelle immer weiter ansteigt und chemische, exponentiell verlaufende Reaktionen von dieser ausgehen. Diese Reaktionen sind auch nicht mehr zu stoppen“, erklärt Dr. Jürgen Heydecke. Das kann bei Lithium-Batterien zur Öffnung der Zelle und gegebenenfalls zu ihrem Abbrennen führen. „Bei Lithium-Polymer Batterien ist zudem zu beachten, dass es zur Gasbildung in der Zelle kommen kann, was zum ‚Swelling‘, also dem starken Anschwellen der Zelle, führt.“ Im nächsten Schritt würde es auch hier zum Thermal Runaway und somit zum Abbrennen kommen.
Und wie sieht es mit dem Tiefentladen aus?
Hiervon wird gesprochen, wenn die Zellspannung deutlich unter die Abschaltspannung fällt. Dieses Phänomen führt an sich zu keinen Sicherheitsproblemen. Allerdings wird dadurch die Performance der Zelle langsam zerstört, was unter Umständen ebenfalls zum Anschwellen der Batterie führen kann.
„Sollte eine Batterie doch einmal tiefentladen sein, dann ist bei dem folgenden Aufladen besondere Vorsicht geboten. Mithilfe von ganz kleinem Strom muss versucht werden, die Grundspannung wieder aufzubauen, um dann ab 3 V wieder normal laden zu können“, so Heydecke.
Wichtig ist:
Anwender müssen folglich auf die Nutzung geeigneter Ladegeräte achten und Beschädigungen an den Geräten und Batterien vermeiden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schutzmechanismen im Ernstfall wirken können und die Gefahren, die besonders beim Überladen von Lithium-Batterien entstehen können, unterbunden werden.
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