Wenn der Akkustand des Handys niedrig ist, kann die „Akku-Angst“ überwältigend sein. Daher sind Powerbanks auf Reisen oder Geschäftsreisen zu einer „Notwendigkeit“ geworden, genau wie ein Ausweis oder eine Brieftasche. Schließlich fühlt sich ein leeres Handy in einer ungewohnten Umgebung wie ein digitaler Blackout an. Die Navigation schlägt fehl, Zahlungen werden abgelehnt und man kann niemanden erreichen. Dieses Gefühl der Panik kann einen wirklich aus der Fassung bringen. Die jüngsten Vorfälle von Powerbank-Feuern haben jedoch die Branche erschüttert und breite Diskussionen über ihre Sicherheit ausgelöst. Am 26. Juni 2025 erließ die chinesische Zivilluftfahrtbehörde neue Vorschriften zum Verbot nicht konformer Powerbanks. Die Behörde verlangte, dass sie vor dem Einsteigen in ein Flugzeug eine 3C-Zertifizierung erhalten. Das Problem begann am 20. März 2025, als eine Lithiumbatterie im Gepäckraum eines Fluges von Hangzhou nach Hongkong Feuer fing und eine Notlandung verursachte.
1 Warum fangen Lithiumbatterien Feuer?
Die Untersuchung ergab, dass der Brand durch einen Kurzschluss in einer 20.000-mAh-Powerbank von Romoss verursacht wurde. Am 31. Mai und 13. Juni ereigneten sich zwei weitere ähnliche Vorfälle auf Flügen. Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Akkus äußern sich häufig in Bränden oder sogar Explosionen. Die Ursache dieser Probleme liegt im thermischen Durchgehen im Akku. Darüber hinaus können externe Faktoren wie Überladung, Brandherde, Kompression, Einstiche und Kurzschlüsse Sicherheitsprobleme auslösen. Gasfreisetzung ist eines der Hauptsymptome für den Ausfall von Lithium-Ionen-Akkus.
Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie Feuer fängt, stößt sie schnell große Mengen weißen Rauch aus, der hauptsächlich aus Dampf oder Zersetzungsprodukten des Batterieelektrolyten besteht. Im Frühstadium eines Brandes ist die unterschiedliche Rauchfarbe eines der auffälligsten Merkmale, die Lithium-Ionen-Batteriebrände von gewöhnlichen Bränden unterscheiden. Nach dem thermischen Durchgehen vermischen sich die von der Batterie freigesetzten brennbaren Gase mit Luft und bilden ein explosives Gemisch. Bei Kontakt mit den von der Batterie emittierten Hochtemperaturpartikeln kann es zu einer lokalen Explosion kommen, die in der Frühphase des Brandes oft von explosiven Geräuschen begleitet wird.
2 Maßnahmen zur Verhinderung von Lithiumbatterieexplosionen
Die Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Batterien sind komplex und vielschichtig. Das größte Sicherheitsrisiko stellt der zufällige interne Kurzschluss dar, der einen sofortigen Ausfall und damit ein thermisches Durchgehen zur Folge hat. Daher ist die Entwicklung und Verwendung von Materialien mit hoher thermischer Stabilität der grundlegende Ansatz zur Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien in der Zukunft.
1) Verbesserung der thermischen Stabilität von Batteriematerialien
Kathodenmaterialien: Die thermische Stabilität kann durch Optimierung der Synthesebedingungen, Verfeinerung der Synthesemethoden oder den Einsatz von Dotierungs- und Oberflächenbeschichtungstechniken verbessert werden.
Anodenmaterialien: Die thermische Stabilität von Anodenmaterialien wird durch die Art des Materials, die Partikelgröße und die Stabilität des SEI-Films (Solid Electrolyte Interphase) beeinflusst. Die Qualität des SEI-Films wirkt sich direkt auf die Lade- und Entladeleistung sowie die Sicherheit der Batterie aus. Eine schwache Oxidation der Oberfläche von Kohlenstoffmaterialien oder die Verwendung reduzierter, dotierter oder oberflächenmodifizierter Kohlenstoffmaterialien kann die Qualität des SEI-Films verbessern. Auch sphärische oder faserförmige Kohlenstoffmaterialien tragen zur Verbesserung der SEI-Qualität bei.
Elektrolytstabilität: Die Stabilität des Elektrolyten hängt von der Art des verwendeten Lithiumsalzes und des Lösungsmittels ab. Lithiumsalze mit besserer thermischer Stabilität und Lösungsmittel mit einem breiteren elektrochemischen Fenster können die thermische Stabilität der Batterie verbessern.
2) Verbesserung des Überladeschutzes
Um eine Überladung zu verhindern, werden üblicherweise spezielle Ladeschaltungen verwendet, die den Lade- und Entladevorgang der Batterie steuern. Sicherheitsventile können an einzelnen Batterien installiert werden, um zusätzlichen Überladeschutz zu bieten. Ein PTC-Widerstand (positiver Temperaturkoeffizient) kann ebenfalls verwendet werden, um den Innenwiderstand der Batterie bei Erwärmung während der Überladung zu erhöhen und so den Überladestrom zu begrenzen. Auch spezielle Separatoren können verwendet werden. Wenn die Temperatur der Separator Steigt der Ladedruck aufgrund abnormaler Batteriebedingungen zu hoch an, verengen sich die Poren des Separators und verstopfen, wodurch die Migration von Lithiumionen und eine Überladung verhindert werden.
3) Festkörperbatterien
Festkörperbatterien verwenden feste Elektrolyte anstelle der brennbaren flüssigen Elektrolyte herkömmlicher Flüssigbatterien. Dadurch werden die Sicherheitsrisiken durch Elektrolytlecks und -verbrennungen grundsätzlich eliminiert und die thermische Durchgehenstemperatur von 120 °C auf über 200 °C erhöht. Festkörperbatterien neigen zudem weniger zu Kurzschlüssen, Feuer oder Explosionen, wenn sie äußeren Kräften wie beispielsweise Einstichen ausgesetzt werden. Selbst wenn die Batterie mit einem Nagel durchstochen, geschnitten oder verbogen wird, bleibt sie stabil.
3 Die Leistung von Lithiumbatterien
Wir stellen Ihnen nun die Analysemethoden der Lade- und Entladekurven von Lithiumbatterien vor, darunter Ladeeffizienz, Entladeverhalten, Kapazitätsbewertung, Innenwiderstandsbewertung und Lebensdauerbewertung. Durch die Interpretation der Lade- und Entladekurven gewinnen wir ein tiefes Verständnis der Leistung und Eigenschaften der Batterie und erhalten wichtige Hinweise für deren Auswahl, Nutzung und Optimierung.
Die Leistung von Lithiumbatterien ist entscheidend für den Betrieb verschiedener elektronischer Geräte und Elektrowerkzeuge. Lade- und Entladekurven sind eine wichtige Methode zur Bewertung der Leistung von Lithiumbatterien, da sie die Spannungs- und Stromänderungen während des Lade- und Entladevorgangs visuell darstellen. Durch die Analyse dieser Kurven erhalten wir Informationen zu wichtigen Parametern wie Batteriekapazität, Innenwiderstand und Wirkungsgrad, die wiederum Hinweise zur Optimierung des Batteriedesigns und zur Leistungssteigerung liefern.
4 Analyse der Ladekurve einer Lithiumbatterie
Die Lade- und Entladekurve einer Lithiumbatterie stellt die Beziehung zwischen Batteriespannung und Entladekapazität sowie die Ladezustandskurve (SOC) dar. Während des Ladevorgangs steigt die Spannung allmählich an, während der Strom abnimmt. Die Steigung der Ladekurve spiegelt die Ladegeschwindigkeit wider; je steiler die Steigung, desto schneller die Ladegeschwindigkeit. Der Plateaubereich der Ladekurve zeigt an, dass die Batterie vollständig geladen ist. Die Spannung stabilisiert sich tendenziell.
Die Ladeeffizienz ist ein wichtiger Indikator zur Bewertung der Batterieladeleistung. Eine höhere Ladeeffizienz bedeutet, dass die Batterie die zugeführte elektrische Energie effektiver in gespeicherte chemische Energie umwandeln kann. Durch den Vergleich der tatsächlichen Ladekapazität aus der Ladekurve mit der theoretischen Ladekapazität lässt sich die Ladeeffizienz beurteilen. Zusätzlich kann der Energieverlust während des Ladevorgangs beobachtet werden, um Möglichkeiten zur Verbesserung der Ladeeffizienz zu identifizieren.
Die Ladeschlussspannung gibt den Spannungswert bei vollständig geladenem Akku an. Die richtige Einstellung der Ladeschlussspannung hilft, Überladung zu vermeiden und die Lebensdauer des Akkus zu verlängern. Durch Analyse der Ladekurve lässt sich eine geeignete Ladeschlussspannung ermitteln, um sicherzustellen, dass der Akku innerhalb eines sicheren Bereichs geladen wird.
5 Analyse der Entladekurve einer Lithiumbatterie
Während der Entladung sinkt die Spannung allmählich, und der Strom nimmt entsprechend ab. Form und Neigung der Entladekurve können wichtige Informationen über die Leistung der Batterie liefern. Eine flachere Entladekurve deutet in der Regel auf eine gute Entladestabilität der Batterie und eine stabile Energieabgabe hin. Durch die Beobachtung des Plateaubereichs der Entladekurve können wir zudem die Spannungsschwankungen der Batterie bei unterschiedlichen Entladetiefen nachvollziehen und ihre Entladefähigkeit beurteilen.
Die Fläche unter der Entladekurve ist proportional zur Entladezeit. Durch Berechnung der Fläche unter der Kurve können wir die Entladekapazität der Batterie ermitteln. Die Entladekapazität wirkt sich direkt auf die Nutzungsdauer und Lebensdauer der Batterie aus.
6 Auswirkungen des Innenwiderstands
Der Innenwiderstand ist der Widerstand innerhalb der Batterie, der die Entladeeigenschaften beeinflusst. Ein höherer Innenwiderstand führt zu einem schnelleren Spannungsabfall und einer geringeren Entladeleistung. Durch die Analyse der Entladekurve können wir den Innenwiderstand der Batterie schätzen und dessen Einfluss auf die Batterieleistung beurteilen.
7 Kapazitätsbewertung
Die Kapazität einer Lithiumbatterie gibt die Menge an Ladung an, die sie speichern kann. Sie wird üblicherweise in Milliamperestunden (mAh) oder Amperestunden (Ah) gemessen. Durch Integration der Lade- und Entladekurven lässt sich die tatsächliche Kapazität der Batterie berechnen. Zusätzlich können mehrere Lade- und Entladezyklentests durchgeführt werden, um den Kapazitätsverlust zu beobachten und die Lebensdauer der Batterie zu bewerten.
8 Lebensdauerbewertung
Die Zyklenlebensdauer beschreibt die Fähigkeit einer Batterie, nach mehreren Lade- und Entladezyklen ein bestimmtes Leistungsniveau aufrechtzuerhalten. Durch die Beobachtung der Veränderungen der Lade- und Entladekurven über mehrere Zyklen lässt sich die Zyklenlebensdauer der Batterie bestimmen. Bleiben Form und Charakter der Kurve nach mehreren Zyklen relativ stabil, weist dies auf eine gute Zyklenlebensdauer der Batterie hin. Zusätzlich lässt sich der Kapazitätsverlust während des Zyklusprozesses analysieren, um die Gesamtlebensdauer der Batterie vorherzusagen.
Abschluss
Die Lade- und Entladekurve einer Lithiumbatterie stellt die Beziehung zwischen Batteriespannung und Entladekapazität sowie der Kurve der verbleibenden Kapazität (SOC) dar. Sie ist eine wichtige Methode zur besseren Analyse und Bewertung der Batterieleistung. Durch die Analyse von Ladeeffizienz, Entladeverhalten, Kapazität, Innenwiderstand und Zyklenlebensdauer lässt sich ein umfassendes Verständnis der Batterieleistung gewinnen. Dieser analytische Ansatz ist entscheidend für die Optimierung des Batteriedesigns, die Qualitätskontrolle und die Anwendungsauswahl. In der Praxis ermöglicht die Kombination verschiedener Testmethoden und Datenanalysetechniken eine genauere Bewertung der Lithiumbatterieleistung und gewährleistet so den zuverlässigen Betrieb verschiedener elektronischer Geräte und Elektrowerkzeuge.
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