Die Bedeutung der Dauer der Konstanten Spannungsphase beim Lithiumbatterieladen

Die Dauer der Konstantspannungsphase spiegelt die Größe des Konstantstromverhältnisses wider. Aus Datensicht ist es die direkteste Darstellung des internen Zustands der Batterie.

I. Was ist das Konstantstromverhältnis?

Die gebräuchlichste Standard-Ladetechnologie ist das Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung, also CC (Konstantstrom) + CV (Konstantspannung). Die Konstantstromphase ist der Schnellladevorgang, bei dem das Ladegerät mit einem konstant hohen Strom lädt und die Batteriespannung kontinuierlich ansteigt. Wenn die Spannung ihren oberen Grenzwert erreicht (z. B. 4,3 V für ternäre Lithiumzellen), wird automatisch auf die Konstantspannungsphase umgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt bleibt die Spannung konstant und der Strom nimmt allmählich ab, bis er auf 0,05 °C bis 0,1 °C abfällt. An diesem Punkt endet der Ladevorgang. Konstantstromverhältnis = CC / (CC + CV)

II. Der Mechanismus der Dauer der Konstantspannungsphase

Die Dauer der Konstantspannungsphase wird im Wesentlichen von zwei Faktoren beeinflusst: Änderungen des Innenwiderstands und der Polarisation.

1. Veränderungen im inneren Widerstand
Gemäß dem Ohmschen Gesetz U=IR führt bei konstantem Ladestrom eine Erhöhung des Innenwiderstands der Batterie zu einem höheren ohmschen Spannungsabfall. Dies führt zu einer sogenannten „künstlich hohen“ Spannung – die tatsächliche in der Batterie gespeicherte Ladungsmenge ist noch lange nicht voll, aber die extern gemessene Klemmenspannung hat bereits die Ladeabschaltspannung erreicht, was die Batterie dazu zwingt, vorzeitig von der Konstantstromstufe auf die Konstantspannungsstufe umzuschalten.

2. Polarisationseinfluss
Unter Polarisationsspannung versteht man die Differenz zwischen dem tatsächlichen Betriebspotential der Elektrode und dem thermodynamischen Gleichgewichtspotential. Wir können dies mit einer einfachen Formel verstehen: Extern gemessene Spannung = echte Batterie-Leerlaufspannung + ohmscher Spannungsabfall + Polarisationsspannung. Am Ende des Konstantstromladens, wenn die extern gemessene Spannung die Abschlussspannung erreicht, liegt die tatsächliche Leerlaufspannung der Batterie nach Abzug des ohmschen Spannungsabfalls und der Polarisationsspannung immer noch weit unter der Vollladespannung.

Der Kern der Konstantspannungsstufe besteht darin, den Ladestrom schrittweise zu reduzieren, um gleichzeitig den ohmschen Spannungsabfall und die Polarisationsspannung zu verringern, sodass die tatsächliche Leerlaufspannung der Batterie langsam auf den tatsächlichen Wert bei voller Ladung ansteigen kann. Wenn der Polarisationswiderstand der Batterie erheblich ansteigt, bedeutet dies, dass eine längere Zeit und ein geringerer Strom erforderlich sind, um die Polarisationsspannung auf einen ausreichend niedrigen Wert zu senken, um den Ladevorgang der verbleibenden Ladung abzuschließen.

III. Die Dauer der Konstantspannungsphase spiegelt die Batterieeigenschaften wider

1. Zellgesundheitsstatus:

Das konstante Stromverhältnis korreliert stark positiv mit dem Gesundheitszustand (SOH) der Batterie. Das Konstantstromverhältnis nimmt mit zunehmender Zykluszahl allmählich ab.

2. Schnellladefähigkeit:

Das konstante Stromverhältnis spiegelt die Schnellladefähigkeit wider. Unterschiedliche Laderaten (1C, 2C, 3C) führen zu unterschiedlichen Konstantstromverhältnissen. Darüber hinaus nimmt das Konstantstromverhältnis mit zunehmender Laderate ab. Daher weist bei gleicher Laderate ein höheres Konstantstromverhältnis auf eine bessere Schnellladefähigkeit hin.

3. Sicherheitsleistung:

Ein niedrigeres Konstantstromverhältnis weist auf eine längere Konstantspannungsphase hin, was auf einen höheren Innenwiderstand innerhalb der Zelle schließen lässt. Ein starker Abfall des Konstantstromverhältnisses mit zunehmender Zellzykluszahl weist häufig auf ernsthafte Sicherheitsrisiken hin. Ein hoher Innenwiderstand führt zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung beim Laden und beschleunigt die Alterung der Batterie. Noch gefährlicher ist, dass stark gealterte Batterien, wenn sie am Ende der Konstantspannungsphase längere Zeit mit niedrigem Strom geladen werden, eine Verschlechterung der Dynamik der negativen Elektrode erfahren, was leicht zur Lithium-Plattierung führen kann. Das abgelagerte Lithiummetall kann den Separator durchstoßen und interne Kurzschlüsse oder sogar ein thermisches Durchgehen verursachen.

4. Konsistenz des Akkupacks
In Batteriepaketen für Elektrofahrzeuge oder Energiespeicher ist der Unterschied in der Konstantspannungszeit zwischen einzelnen Zellen ein entscheidender Indikator für die Konsistenz. Wenn die konstante Spannungszeit einer Zelle wesentlich länger ist als bei anderen, deutet dies auf eine stärkere Alterung und einen höheren Innenwiderstand hin und wird zu einem „schwachen Glied“ im gesamten Batteriepaket, was die Gesamtleistung einschränkt und Sicherheitsrisiken erhöht.

ACEY-AS11S Batteriesortiermaschine ist ein unverzichtbares Werkzeug für professionelle Hersteller von Akkupacks. Es wurde speziell zum Testen und Sortieren zylindrischer Zellen – einschließlich LiFePO4- und NCM-Typen – nach ihrer Leerlaufspannung (OCV) und ihrem Innenwiderstand (IR) entwickelt.

Zusammenfassung: Die Dauer der Konstantspannungsphase für frische Zellen wird durch die Ladegeschwindigkeit, die Umgebungstemperatur, das chemische System und die Ladeabschaltspannung bestimmt.