Was ist die Ladeschlussspannung? Definition, Normen und Anwendung bei Lithiumbatterien

Definition in einem Satz

Abschaltspannung der Ladung ist die maximale Spannung, bis zu der eine wiederaufladbare Batteriezelle oder ein Akkupack geladen werden kann; ein Überschreiten dieses Grenzwerts wird durch das Ladegerät oder das Batteriemanagementsystem (BMS) verhindert, um Sicherheit, Leistung und Lebensdauer zu gewährleisten. (Batterie Universität)

Eingehende Erläuterung

Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie geladen wird, steigt die Zellenspannung bei konstantem Strom an, bis sie sich der vorgesehenen Ladeschlussspannung nähert - bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Chemikalien in der Regel 4,2 V pro Zelle. Das Ladegerät schaltet dann auf eine Phase mit konstanter Spannung um und hält diesen Maximalwert, bis der Ladestrom auf einen Minimalwert absinkt, woraufhin der Ladevorgang vollständig beendet wird. Diese obere Spannungsgrenze ist nicht willkürlich: Sie wird durch die Elektrochemie der Zelle bestimmt und ist für einen sicheren, zuverlässigen Batteriebetrieb von grundlegender Bedeutung. Ein Überschreiten der Obergrenze kann zur Zersetzung des Elektrolyten, zur Lithiumplattierung oder sogar zum thermischen Durchgehen führen, während das Laden bis zu einer Untergrenze die nutzbare Kapazität verringert, aber die Anzahl der verfügbaren Zyklen erheblich erhöhen kann.

Moderne Akkupacks (für Laptops, Elektrofahrzeuge oder Netzspeicher) sind auf BMS-Einheiten angewiesen, die jede Zelle überwachen. Das BMS unterbricht den Ladevorgang, wenn eine Zelle den Grenzwert überschreitet, um das System zu schützen und die Sicherheitsstandards der Branche einzuhalten.

Schlüsselkomponenten und Kompromisse

• Chemie-spezifische Werte:
  • Li-Ion (auf Kobaltbasis): 4,20 V (klassischer Standard)
  • Hochspannungs-Li-Ion/Polymer: bis zu 4,35V-4,40V (spezielle Anwendungen)
  • LiFePO₄ (LFP): 3,60V-3,65V
  • Lithium-Titanat (LTO): ~2.80V
• Zyklusdauer vs. Kapazität: Eine Senkung der Ladeschlussspannung (z. B. Laden einer Zelle mit 4,20 V nur auf 4,10 V) kann die Lebensdauer verdoppeln oder verdreifachen, allerdings auf Kosten von etwa 10% weniger nutzbarer Kapazität.
• BMS-Durchsetzung: Industrielle BMS steuern die Abschaltung während jedes Zyklus präzise mit Spannungsmessung und Redundanz, insbesondere in Märkten mit hoher Zuverlässigkeit (EVs, medizinische Geräte).

Anwendungen in der realen Welt

• Laptops und Smartphones: Das BMS begrenzt jede Zelle auf den festgelegten Grenzwert, um die Garantie- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen - ein fehlerhaftes BMS oder eine versehentliche Überladung führten in der Vergangenheit zu Rückrufaktionen in diesen Bereichen.
• Elektrisch betriebene Fahrzeuge: EV-Batteriepacks verwenden komplexe BMS, um sicherzustellen, dass keine Zelle den Grenzwert überschreitet, so dass eine konstante Reichweite mit maximaler Lebensdauer und Sicherheit gewährleistet ist.
• Energiespeichersysteme: Industriebatterien für die Netzstabilisierung benötigen eine Abschaltspannung, um eine vorzeitige Alterung oder einen katastrophalen Ausfall während schneller Ladezyklen zu verhindern.

Verwandte Konzepte und weiterführende Literatur

• Entladeschlussspannung: Die minimale sichere Spannung, bei der die Batterie nicht mehr verwendet werden sollte, um Schäden zu vermeiden. Siehe Entladeschlussspannung zum Vergleich.
• Batterie-Management-System (BMS): Der Schaltkreis/die Software, der/die die Lade-/Entladeparameter überwacht und sowohl Spannungs- als auch Stromgrenzen durchsetzt.
• Schutz vor Überladung: Umfassende Sicherheitsvorkehrungen (einschließlich Spannungs- und Stromabschaltungen) gegen gefährliche Überladungen.
• Nennspannung: Die durchschnittliche, nicht die maximale Spannung, mit der die Zelle oder der Akkupack bei der meisten Verwendung arbeitet.
• Erhaltungsspannung: Dies gilt in der Regel für Blei-Säure-Batterien im Bereitschaftszustand, nicht für Lithium-Ionen-Batterien.

Durch das Verständnis und die richtige Anwendung von Ladeschlussspannungen je nach Batteriechemie und Anwendungsfall können Ingenieure und Hersteller die Produktsicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erheblich verbessern.