Die Geheimnisse der Batteriefunktionszeit

Ist die Funktionszeit eines tragbaren Gerätes in einem direkten Verhältnis mit der Batteriegrösse? Die Antwort sollte 'Ja' sein, aber in Wirklichkeit ist die Funktionszeit noch von anderen Merkmalen abhängig, als nur von der Kapazität..

In diesem Artikel wird untersucht, was die Gründe sind für unerwartete Ausfallzeiten und die kurzen Batteriefunktionszeiten. Sehen wir uns die vier Ausfallursachen an - verlieren von Kapaziät, wachsen des Innenwiderstandes, erhöhte Selbstentladung und zu frühe Spannungsabschaltung bei Entladung. Wir bewerten, wie diese regenerativen Mängel Batterien auf Nickel-, Blei und Lithiumbasis beeinflussen.

Verlieren von Kapazität
Die Grösse der Ladung, die eine Batterie speichern kann, nimmt wegen Gebrauch und Alterung graduell ab. Vorgesehen zur Abgabe einer Kapazität von 100% im Neuzustand, sollte eine Batterie ersetzt werden, wenn die Kapazität unterhalb von 80% des Nominalwertes gesunken ist. Gewisse Benutzerorganisationen mögen andere Endkapazitätswerte als minimal akzeptable Schwellwerte der Batterieleistung anwenden.

Die gespeicherte Energie einer Batterie kann unterschieden werden in drei imaginäre Gruppen, bestehend aus: Vorhandene Energie, leere Zone, die gefüllt werden kann und unbrauchbare Zone (mit 'Schrott' angefüllt), die sich mit der Alterung vergrössert.

Figur 1: Ladekapazität der Batterie

Drei imaginäre Zonen einer Batterie, bestehend aus vorhandener Energie, leerer Zone und 'Schrottzone'

In Batterien auf Nickelbasis besteht die so genannte Schrottzone aus Kristallformationen, auch bekannt unter dem Ausdruck 'Memory'. Eine Regeneration ist möglich durch eine Vollentladung auf 1 Volt pro Zelle. Wenn jedoch keine Wartung während vier oder mehr Monate durchgeführt worden ist, wird eine Korrektur immer schwieriger und zwar zunehmend, je länger die Pausen zwischen zwei Wartungen waren. Um dem Memoryeffekt vorzubeugen, sollten auf Nickel basierende Batterien alle ein bis zwei Monate voll entladen werden. Nickel-Kadmium und Nickel-Metall-Hydrid-Batterien werden in Funkgeräten, medizinischen Instrumenten und Werkzeugen eingesetzt.

Eine Leistungsverschlechterung bei Blei-Säure-Batterien wird verursacht durch Sulfatierung und Korrosion des Gitters. Sulfatierung ist eine dünne Schicht, die sich auf der negativen Zellenplatte bildet, wenn die Batterie eine voll gesättigte Ladung verweigert. Eine Sulfatierung kann teilweise mit zyklischer Vollladung korrigiert werden. Die Gitterkorrosion, die auf der positiven Zellenplatte entstehen kann, wird durch Überladung ausgelöst. Blei-Säure-Batterien werden für grössere tragbare Geräte und fahrbare Applikationen verwendet.

Lithium-Ion-Batterien verlieren an Kapazität durch Zellenoxidation, ein normaler Prozess, der mit dem Gebrauch und der Alterung erfolgt. Die typische Lebenserwartung von Lithium-Ion ist 2 bis 3 Jahre, ob nun die Batterie gebraucht wird oder nicht. Ein Lagerung bei kühlen Temperaturen und einem Ladezustand von ca. 40% können die Alterung verzögern. Eine gealterte Lithium-Ion-Batterie kann nicht mehr durch zyklisches Laden regeneriert werden. Man findet Lithium-Ion-Batterien in Mobiltelefonen und tragbaren Computernting.

Erhöhter Innenwiderstand
Die Kapazität einer Batterie beschreibt die gespeicherte Energie - der Innenwiderstand bestimmt, wie viel Energie in einer gegebenen Zeit entnommen werden kann. Während eine gute Batterie in der Lage ist, einen hohen Strom auf Verlangen abgeben zu können, bricht die Spannung einer Batterie mit hohem Innenwiderstand unter starker Belastung zusammen. Auch wenn die Batterie eine genügend grosse Kapazität aufweist, kann die resultierende Spannung die Anzeige 'Batterie tief' auslösen, welche das Gerät ausschaltet. Ein Aufwärmen der Batterie wird vorübergehend die Energieabgabe erhöhen, da der Innenwiderstand verkleinert wird.

Eine Batterie mit hohem Innenwiderstand kann noch immer brauchbar sein, wenn nur wenig Strom bezogen wird, wie z.B. bei Blitzlicht, tragbarer CD-Spieler oder Wanduhr. Im Gegensatz dazu benötigen digitale Geräte sehr hohe Stromspitzen. Figur 2 stellt dar, wie sich ein tiefer und ein hoher Innenwider-stand auswirkt auf einen freien oder eingeschränkten Abfluss.
Figur 2: Auswirkung des Innenwiderstandes
Eine Batterie mit tiefem Innenwiderstand kann auf Verlangen einen hohen Strom abgeben. Bei erhöhtem Widerstand bricht die Batteriespannung zusammen und das Gerät schaltet ab.

Nickel-Kadmium bietet einen sehr tiefen Innenwiderstand und gibt auf Verlangen hohe Ströme ab. Im Vergleich dazu starten Nickel.Metall-Hydrid-Batterien mit nur unwesentlich höherem Widerstand, dessen Wert allerdings nach 300 bis 400 Zyklen stark zunimmt.

Lithium-Ion hat einen leicht höheren Innenwiderstand als Batterien auf Nickelbasis. Das Kobaltsystem tendiert zu einer Erhöhung des Innenwiderstands als Teil des Alterungsprozesses, während Magnesium (Spinel) den Widerstand über die gesamte Lebensdauer beibehält, aber dafür auf Grund einer chemischen Reaktion an Kapazität einbüsst. Kobalt und Magnesium werden für die positiven Elektroden verwendet.

Ein hoher Innenwiderstand wird die Batterie schiesslich unbrauchbar machen. Die Energie ist wohl noch vorhanden, aber kann nicht mehr abgegeben werden. Diese Auswirkung ist endgültig und kann nicht mehr rückgängig gemacht werden. Kühle Lagerung und ein Ladezustand von 40% kann den Alterungsprozess verzögern.

Der Innenwidestand von Blei-Säure-Batterien ist sehr gering. Die Batterie antwortet gut auf kurze Stromspitzen, aber hat Mühe, während längerer Zeit einer höheren Belastung standzuhalten. Mit der Zeit steigt der Innenwiderstand wegen Sulfatierung und Korrosion an.

Erhöhte Selbstentladung

Alle Batterien leiden unter der Selbstentladung, wobei Batterien auf Nickelbasis die höchsten Werte aufweisen. Der Verlust ist asymptotisch, d.h. die Selbstentladung ist am höchsten, unmittelbar nach Aufladung und sinkt dann ab. Batterien auf Nickelbasis verlieren 10-15% ihrer Kapazität während den ersten 24 Stunden nach der Aufladung, anschliessend 10-15% pro Monat. Ein der besten Batterien in Bezug auf Selbstentladung ist die Blei-Säure-Batterie, die sich nur mit 5% pro Monat selbst entlädt. Unglücklicherweise hat diese Chemie die tiefste Energiedichte, was sie für tragbare Applikationen unbrauchbar macht. Lithium-Ion hat eine Selbstentladung von etwa 5% während den ersten 24 Stunden, und 1-2% nachher. Wenn man die Schutzschaltung mitberücksichtigt, wird die Selbstentladung um weitere 3% erhöht. Die Schutzschaltung ist dafür besorgt, dass Spannung und Strom jeder Zelle die Sicherheitsschwelle nicht überschreiten. Figur 3 illustriert eine Batterie mit hoher Selbstentladung.

Figur 3: Auswirkungen von hohem Belastungswiderstand.
Die Selbstentladung steigt an mit Alterung, hoher Anzahl Zyklen und erhöhter Temperatur. Entsorgen Sie eine Batterie, deren Selbstentladung 30% in 24 Std. erreicht.

Die Selbstentladung bei allen Batteriechemien steigt bei höheren Temperaturen an. Typischerweise wird der Werte mit jeden 10°C verdoppelt. Ein empfindlicher Energieverlust entsteht, wenn eine Batterie im heissen Fahrzeug verbleibt.

Alterung und Gebrauch beeinflussen ebenfalls die Selbstentladung. Nickel-Metall-Hydrid ist gut für 300 bis 400 Zyklen, während Nickel-Kadmium erst ab 1000 Zyklen von der Selbstentladung in ihrer Leistungsfähigkeit beeinflusst wird. Ältere Batterien auf Nickelbasis können durch Selbstentladung mehr Energie am ersten Tag verlieren, als dies bei neueren Batterien der Fall ist. Entsorgen Sie eine Batterie, wenn die Selbstentladung innerhalb 24 Std. ca. 30% erreicht.

Es kann nichts gegen diesen Makel unternommen werden. Faktoren, die die Selbstentladung beschleunigen, sind defekte Separatoren, ausgelöst durch kristalline Formationen. Sie haben zur Folge, dass die Batterien beim Aufladen 'gekocht' werden. Ein weiterer Faktor ist die hohe Anzahl Zyklen, welche die Zellen aufquellen lassen. Batterien auf der Basis von Blei und Lithium zeigen bei weitem keine so starke Erhöhung der Selbstentladung durch den Gebrauch, wie das bei Batterien auf Nickelbasis der Fall ist.

Frühzeitige Spannungsabschaltung
Nicht die gesamte gespeicherte Batterieleistung kann voll verwendet werden. Einige Geräte schalten ab, bevor die vorgeschriebene End-Entladespannung erreicht ist, und wertvolle Batterieenergien bleiben ungenutzt. Applikationen, die hohe Spannungsspitzen benötigen, unterstützen eine verfrühte Abschaltung auf Grund der Batteriespannung. Dies kann besonders gut an Batterien mit hohem Innenwiderstand beobachtet werden. Sobald die Last entfernt worden ist, steigt die Batteriespannung wieder an, und alles scheint normal zu sein. Das Entladen einer solchen Batterie mit einer mässigen Last und über einen Batterieanalyser bis zur vorgesehenen Endentladeschwelle, kann manchmal Restkapazitätswerte von 30% anzeigen, und die Batterie ist im Gerät nicht mehr verwendbar. Figur 4 zeigt eine Abschaltung bei zu hoher Spannung.

Figur 4: Gerät mit Abschaltung bei zu hoher Spannung
Einige tragbare Geräte verwenden nicht die gesamte vorhandene Batterieleistung und verlieren wertvolle Energie.

Ein hoher Innenwiderstand und das Gerät selbst sind nicht die einzigen Ursachen für eine vorzeitige Abschaltung - warme Temperaturen spielen ebenso eine Rolle, indem dadurch die Batteriespannung gesenkt wird. Andere Gründe sind kurzgeschlossene Zellen in einer mehrzelligen Batterie und der Memoryeffekt bei Batterien auf Nickelbasis.


Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com