Nicht-korrigierbare Batterieprobleme

Manche aufladbare Batterien können mit externen Mitteln regeneriert werden, z.B. mit einer vollstän-digen Entladung. Es gibt jedoch viele Defekte, die nicht behoben werden können. Diese beinhalten einen hohen Innenwiderstand, erhöhte Selbstentladung, elektrische Kurzschlüsse, austrocknen, Plattenkorrosion und allgemeine chemische Pannen.

Der Leistungsverlust einer Batterie ist normal, hervorgerufen durch Gebrauch und Alterung, manchmal schneller wegen fehlender Wartung, harte Umgebungsbedingungen oder zu seltenen Ladezyklen. Dieser Artikel untersucht die Gründe der nicht-korrigierbaren Batterieproblems und zeigt Wege auf, diese Ausfälle auf ein Minimum zu begrenzen.

Hohe Selbstentladung
Alle Batterien werden durch die Selbstentladung betroffen. Dies ist kein Defekt an sich, auch wenn unsachgemässe Behandlung den Einfluss verschärft. Die Selbstentladung ist asymptotisch; der grösste Verlust entsteht unmittelbar nach der Aufladung und nimmt nachher ab.

Batterien auf Nickelbasis zeigen eine verhältinsmässig hohe Selbstentladung. Bei normaler Umgebungs-temperatur verliert eine neue Nickel-Kadmium-Batterie ca. 10% ihrer Kapazität während den ersten 24 Stunden nach Aufladung. Die Selbstentladung stellt sich dann ein auf ca. 10% pro Monat. Höhere Temperaturen erhöhen die Selbstentladung massgebend. Als allgemeine Richtlinie kann gelten, dass die Selbstentladung mit jeder Temperaturerhöhung von 10°C. Die Selbstentladung von Nickel-Metall-Hydrid ist etwa 30% höher als bei Nickel-Kadmium

Die Selbstentladung nimmt zu, nachdem eine auf Nickel basierende Batterie wenige hundert Ladezyklen durchlaufen hat. Die Batterieplatten beginnen aufzuquellen und drücken stärker gegen die Separatoren. Metallische Ablagerungen, als Resultat von kristallinen Formationen (Memory), erhöhen ebenfalls die Selbstentladung, indem die Separatoren beschädigt werden. Entsorgen Sie Batterien auf Nickelbasis, sobald sie eine Selbstentladung von 30% innerhalb 24 Std. erreicht haben.

Die Selbstentladung einer Lithium-Ion-Batterie bertägt 5% in den ersten 24 Stunden nach Aufladung, und reduziert sich dann auf 1 bis 2% pro Monat. Die Sicherheitsschaltung trägt weitere 3% bei. Eine hohe Anzahl Zyklen und Alterung haben nur einen kleinen Einfluss auf die Selbstentladung von Lithium-Ion-Batterien.
Eine Blei-Säure-Batterie entlädt sich nur 5% pro Monat oder 50% pro Jahr. Vermehrte tiefe Entladezyklen vergrössern die Selbstentladung.

Der prozentuale Anteil der Selbstentladung kann mit einem Batterieanalyser gemessen werden, aber die Prozedur dauert einige Stunden. Erhöhter interner Batteriewiederstand reflektiert oft einen höheren internen Batteriewiderstand , ein Parameter, der mit einem Impedanzmeter oder dem Programm OhmTest mit dem Batterieanalyser von Cadex gemessen werden kann.

Zusammenpassende Zellen
Auch mit modernen Herstellungstechniken können die Zellenkapazitäten nicht genau vorausgesagt werden, speziell bei Zellen auf Nickelbasis. Als Teil der Herstellung wird jede Zelle gemessen und in Kategorien gemäss ihrer Kapazität eingeteilt. Die Hochkapazitätszelle 'A' wird allgemein für spezielle Applikationen zu höheren Preisen verkauft, die Zellen der Mittelklasse 'B' werden für kommerzielle und industrielle Zwecke verwendet, während die Zellen 'C' im untersten Bereich zu Sonderpreisen abgegeben werden. Zyklieren von Zellen der C-Klasse heisst nicht unbedingt, deren Kapazität zu verbessern. Wenn aufladbare Batterien zu reduzierten Preisen angeboten werden, muss der Käufer tiefere Kapazitätswerte akzeptieren.

Zellen in der gleichen Batterie sollten Kapazitäten in einer Toleranz von +/- 2.5% aufweisen. Engere Toleranzen sind verlangt bei Batterien mit hoher Anzahl von Zyklen, welche hohen Belastungen ausgesetzt sind und bei tiefen Umgebungstemperaturen arbeiten. Bei kleinen Unterschieden werden sich die Zellen in einer neuen Batterie nach wenigen Lade/Entladezyklen einander angepasst haben. Dies ergibt eine Korrelation zwischen gut ausgeglichenen Zellen und einer langen Batterielebenserwartung.

Warum ist das Zusammenpassen der Zellen so wichtig? Eine schwächere Zelle besitzt weniger Kapazität und ist schneller entladen als eine starke Zelle. Diese Ungleichheit kann zu einer Umpolung der schwächeren Zelle führen,. wenn sie zu tief entladen wird. Bei der Ladung ist die schwache Zelle zuerst voll, und beginnt sich auf Grund der Überladung zu erhitzen, während die stärkeren zellen noch immer Ladung aufnehmen können und kühl bleiben. In beiden Fällen ist die schwächere Zelle im Nachteil, was sie noch schwächer macht und so die Ungleichheit der Zellen noch verstärkt.

Zellen guter Qualität sind gleichmässiger in Bezug auf die Kapazität und altern gleichmässiger als Zellen mit schlechterer Qualität. Die Hersteller von Hochqualitätswerkzeugen wählen deshalb Batterien hoher Qualität, wegen der Dauerhaftigkeit unter harten Arbeitsbedingungen und extremen Temperaturen. Die zusätzlichen Kosten werden kompensiert mit der längeren Lebenserwartung der Batterien.

Auf Lithium basierende Zellen sind naturgemäss einheitlicher, wenn sie fabriziert werden. Enge Toleranzen sind wichtig, da diese Zellen in einer Batterie zur selben Zeit die Vollladekriterien respektive die Entladeschwellspannung erreichen müssen. Eine eingebaute Schutzschaltung schützt die Batterie vor Zellen, die nicht dem normalen Spannungsmuster entsprechen.

Kurzgeschlossene Zellen
Die Hersteller sind oft nicht in der Lage, zu erklären, wieso gewisse Zellen einen hohen elektrischen Verlust aufweisen oder sogar einen elektrischen Kurzschluss, dies obwohl die Zellen relativ neu sind. Der vermutete Täter ist ein fremdes Teilchen, das die Zellen während des Herstellungsprozesses verunreinigen. Eine andere mögliche Ursache sind raue Flecken auf den Platten, die die Separatoren beschädigen. Bessere Herstellungsverfahren haben die 'Kindersterblichkeit' unter den Batterien massgeblich verringert

Die Zellenumpolung, hervorgerufen durch Tiefentladung, können auch ihren Anteil haben an den kurzgeschlossenen Zellen. Dies kann geschehen, wenn eine Batterie auf Nickelbasis unter grosser Belastung total entladen wird. Nickel-Kadmium ist konzipiert mit einem gewissen Schutz gegen Spannungsumpolung. Trotzdem wird ein hoher Umkehrstrom zu einem dauernden elektrischen Kurzschluss führen. Ein weiterer Grund ist eine Beschädigung der Separatoren durch einen unkontrollierten Kristallwachstum, der auch als 'Memoryeffekt' bezeichnet wird.

Das Anlegen von kurzen Hochstromspitzen in Erwartung einer Reparatur von kurzgeschlossenen Zellen bieten nur beschränkte Erfolgsaussichten. U.U. ist der Kurzschluss nur temporär, aber die Beschädigungen an den Separatoren bleiben bestehen. Die reparierten Zellen zeigen oft eine hohe Selbstentladung und der Kurzschluss zeigt sich häufig aufs Neue. Ein Auswechseln von kurzgeschlossenen Zellen in einer älteren Batterie ist nicht zu empfehlen, ausser die neue Zelle zeigt gleiche Eigenschaften wie die anderen in Bezug auf Spannung und Kapazität.

Elektrolyverluste
Obschon versiegelt, können Zellen etwas Elektrolyt verlieren, während ihres Lebens, speziell wenn ein Leck entstanden ist, durch übermässigen Druck während einer unvorsichtigen Ladung. Wenn ein solches Leck vorliegt, kann es bei einer auf Nickel basierender Zelle nie mehr richtig geschlossen werden, und es entsteht ein weisses Pulver um das Leck herum. Der Verlust von Elektrolyt kann schliesslich zu einer Reduktion der Kapazität führen.

Durchlässigkeit oder Elektrolytverlust in ventilgesteuerten Blei-Säure-Batterien (VRLA) ist ein wiederkehrendes Problem. Überladung und Einsatz unter hohen Temperaturen sind die Gründe dazu. Wiederauffüllen von verlorener Flüssigkeit mit Wasser bietet einen beschränkten Erfolg. Auch wenn eine gewisse Kapazität zurück gewonnen werden kann, wird die Leistung unzuverlässig.

Wenn richtig aufgeladen, sollten Lithiumzellen nie Gas produzieren und Lecks entstehen lassen. Aber, im Gegensatz zu allem was gesagt wird, können Lithiumzellen unter gewissen Bedingungen einen internen Druck aufbauen. Gewisse Zellen beinhalten einen elektronischen Schalter, der den Stromfluss abschaltet, wenn der Zellendruck einen kritischen Wert erreicht. Andere Zellen enthalten eine Membrane, die gestattet, das Gas kontrolliert austreten zu lassen. Lithium-Ion-Polymer mit Zellen in Beutelform wachsen manchmal zu einem Ball, weil diese Zellen kein Ventil enthalten. Das Aufblähen von Zellen kann zu Beschädigungen der Gehäuse von tragbaren Geräten führen.

Figur 1: Lithiunm-Ion-Polymer-Zellen in Beutelform. Gewisse Zellen, die ultra-schlank gebaut sind, können während der Ladung Wasserstoffgas entwickeln und aufblähen. Diese Kraft kann das Gehäuse von tragbaren Geräten beschädigen.