15/04/2013 - Der Gedächtniseffekt wirkt sich auch auf Ion-Lithium-Batterien aus

Menéame

Las Lithiumbatterien Hochleistungs-Speichergeräte in vielen kommerziellen elektronischen Geräten verwendet werden, da sie Speichern Sie eine Menge Energie in einem relativ geringen Umfang.

Bisher glaubt man auch, dass sie keinerlei Speichereffekt haben, so nennen Experten eine Abweichung in der Batteriespannung, die die Nutzung der gespeicherten Energie begrenzen kann, sowie die Fähigkeit, den Ladezustand der Batterie zuverlässig zu bestimmen.

Wissenschaftler des PSI Paul Scherrer Institute haben zusammen mit Kollegen der Toyota Research Labs in Japan herausgefunden, dass eine weit verbreitete Art der Lithium-Ionen-Batterie einen Gedächtniseffekt hat. Dies ist eine Entdeckung von besonderer Bedeutung für die Fortschritte bei der Verwendung von Lithium-Batterien auf dem Markt für Elektrofahrzeuge.

Die Arbeit wurde heute in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht Nature Materials.

Gedächtniseffekt

Viele unserer täglichen Geräte erhalten ihre Energieversorgung von einer Batterie, aber es ist nicht immer ein so "intelligenter" Prozess, wie in den Anzeigen beschrieben, und sie haben oft eine Art Speicher. Zum Beispiel, ein Elektro-Bürste oder batteriebetriebenes Rasiergerät, das vor dem Erschöpfen der Batterie aufgeladen wird, kann später Rache an dem Benutzer nehmen. Die Batterie scheint sich daran zu erinnern, dass sie nur einen Teil ihrer Speicherkapazität genommen haben und schließlich nicht mehr ihre volle Energie ausgibt.

Die Experten bezeichnen dies als einen "Speichereffekt," der aufgrund der Zeitabschaltung der Batterie aufgrund unvollständiger Lade- und Entladungszyklen auftritt. Das bedeutet, dass die Batterie zwar heruntergeladen wird, aber manchmal die Spannung, die sie liefert, zu niedrig, um das Gerät zu aktivieren in Frage gestellt werden.

Der Speichereffekt hat daher zwei negative Folgen: Erstens wird die nutzbare Batteriekapazität reduziert, und zweitens wird die Korrelation zwischen Spannung und Ladezustand verschoben, so dass die Batterie nicht zuverlässig auf der Grundlage der Spannung bestimmt werden kann.

Der Gedächtniseffekt ist bekannt, dass er Nickel-Cadmium- und Nickel-Metall-Hydrid-Batterien beeinflusst. Seit die Lithium-Batterien in den 1990er Jahren erfolgreich in Verkehr gebracht wurden, war die Existenz des Gedächtniseffekts auf diese Art von Batterie ausgeschlossen worden. Falsch, wie dies in dieser neuen Studie der Fall ist.

WieDer Speichereffekt entsteht: Der "Speichereffekt" der Batterie ist in einem Zyklus mit einer Teillast "geschrieben" (in diesem Fall 50 Prozent der Speicherkapazität der Batterie), gefolgt von dem vollständigen Download. Im nächsten Zyklus wird der Gedächtniseffekt durch eine Überspannung deutlich, genau an dem Punkt, an dem der Teillastzyklus endet. Kredit: Nature Publishing Group

Auswirkungen des Gedächtniseffekts von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Der Gedächtniseffekt und seine konsequente Ablenkung der Arbeitsspannung wurden jetzt durch eines der häufigsten Materialien wie die positive Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) bestätigt.

Mit Lithium-Eisenphosphat bleibt die Spannung in einem breiten Lastzustandsintervall praktisch unverändert. Dies bedeutet, dass sogar eine kleine Anomalie in der Betriebsspannung als eine wichtige Änderung des Ladezustands missverstanden werden könnte. Oder anders ausgedrückt: Wenn der Ladezustand aus der Spannung eines großen Fehlers bestimmt wird, kann er durch eine kleine Abweichung von der Spannung verursacht werden.

Ein Gedächtniseffekt ist besonders wichtig im Zusammenhang mit den geplanten Schritten zur Verwendung von Lithiumbatterien im Bereich der elektrischen Mobilität. Bei Hybrid-Autos kann die Wirkung während der vielen Lade / Download-Zyklen auftreten, die während des normalen Betriebs auftreten. Bei diesen Fahrzeugen wird die Batterie während jedes Bremsvorgangs des Motors teilweise geladen, da sie im Generatorbetrieb betrieben wird.

Ebenso wird die Batterie teilweise entleert, um den Motor während der Beschleunigungsphase zu unterstützen. Diese aufeinanderfolgenden partiellen Be- und Entladezyklen, die als individuelle kleine Speichereffekte betrachtet werden, wenn sie einen großen Speichereffekt als Ganzes ergänzen, wie die Studie zeigt. Dies führt zu einem Fehler bei der Schätzung des aktuellen Ladezustands der Batterie, wenn der Ladezustand anhand des aktuellen Spannungswerts berechnet wird.

Warum kommt der Gedächtniseffekt?

Forscher glauben, dass die Ursache des Gedächtniseffekts der mikroskopische Mechanismus ist, der hinter dem Be- und Entladen liegt.

Das Material der Elektrode - in diesem Fall Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) - besteht aus einer großen Anzahl von kleinen Teilchen von mikrometrischer Größe, die einzeln nach dem anderen geladen und entladen werden. Veränderungen der Lithiummenge im Zusammenhang mit dem Be- und Entladen können zu einer Veränderung des chemischen Potenzials einzelner Partikel führen, was wiederum die Batteriespannung beeinflusst.

Be- und Entladen sind jedoch keine linearen Prozesse. Während der Ladung erhöht sich das chemische Potenzial zunächst mit der progressiven Freisetzung von Lithiumionen. Aber dann erreichen die Partikel einen Lithium-Wert-Kritiker (und chemisches Potenzial). An diesem Punkt gibt es einen plötzlichen Übergang: Teilchen, die auf ihre verbleibenden Lithiumionen sehr schnell verzichten, aber sie dürfen nicht ihr chemisches Potential ändern.

Dies ist der Übergang, der erklärt, warum die Batteriespannung in einem breiten Spannungsbereich praktisch unverändert bleibt.

Weitere Informationen:

Memory effect now also found in lithium-ion batteries  (Phys.org)

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