10 °C ist nicht gleich 10 °C – Warum die thermische Randbedingung entscheidet, wie schnell Ihr Akku altert
Für Alterungstests von Batteriezellen wird die Klimakammer oft auf eine festgelegte Temperatur eingestellt und die Zellen absolvieren Hunderte von Lade- und Entladezyklen. Klingt vergleichbar. Ist es aber oft nicht.
Dieselbe Umgebungstemperatur kann zu völlig unterschiedlicher Zellalterung führen, je nachdem, wie die thermische Randbedingung während des Tests gestaltet ist.
Das Problem: Klimakammer-Temperatur ist nicht Zell-Temperatur
Der Gedanke dahinter ist schnell erklärt. Wenn eine Lithium-Ionen-Zelle mit hohem Ladestrom geladen wird, erzeugt sie Wärme. Wie viel davon in der Zelle verbleibt und wie viel sofort abgeführt wird, hängt von der thermischen Randbedingung ab: Wird die Zelle aktiv gekühlt? Liegt sie in einem isolierten Gehäuse? Umspült sie ein Luftstrom?
Wir haben genau dieses Phänomen an Samsung INR 18650-25R Zellen unter drei klar definierten Szenarien untersucht, alle bei einer Umgebungstemperatur von 10 °C:
- Passive Kühlung – die Zelle sitzt in einem Aluminiumblock, der die erzeugte Wärme langsam über Wärmeleitung aufnimmt und verzögert wieder abgibt.
- Konvektionskühlung – die Wärme wird durch die Luftzirkulation im Klimaschrank abgeführt
- Isotherme Kühlung – eine Wasserkühlplatte hält die Zelloberfläche streng auf ~10 °C.
Die Zellen wurden mit einem CCCV-Protokoll bei 2C (5 A) bis 4,2 V geladen, gefolgt von einer Konstantspannungsphase bis zum Abschaltstrom. Nach einer 30-minütigen Pause wurde mit 1C bis zur unteren Abschaltspannung von 2,5 V entladen, bevor der nächste Zyklus mit erneut 30 Minuten Ruhe begann.
Die Ergebnisse: Dramatische Unterschiede nach nur 200 Zyklen
Das Ergebnis ist ernüchternd und gleichzeitig aufschlussreich. Nach 200 Zyklen zeigte sich folgendes Bild:
| Szenario | Kapazitätsverlust nach 200 Zyklen |
|---|---|
| Konvektionskühlung | < 10 % |
| Passive Kühlung | ~17,1 % |
| Isotherme Kühlung | > 22 % |
Die isotherm gekühlten Zellen, also jene, bei denen die Temperatur konsequent auf 10 °C gehalten wurde, alterten mehr als doppelt so schnell wie die Zellen unter Konvektionsbedingungen. Und das, obwohl alle Gruppen exakt dieselbe Umgebungstemperatur hatten.
Warum passiert das? Das Lithium-Plating-Problem
Der Schlüssel liegt in einem Effekt, der als Lithium-Plating bezeichnet wird. Beim schnellen Laden, besonders bei niedrigen Temperaturen, können Lithium-Ionen nicht schnell genug in die Graphit-Anode eingelagert werden. Stattdessen scheiden sie sich metallisch auf der Anodenoberfläche ab, ein Vorgang, der meist irreversibel ist, die Zelle nachhaltig schädigt und den Kapazitätsverlust erheblich beschleunigt.
Die Einlagerungsgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur. Genau hier liegt der entscheidende Vorteil der Selbsterwärmung: Wenn sich die Zelle während des Ladens von 10 °C auf 18–20 °C aufheizt, verbessern sich die elektrochemischen Kinetiken deutlich – Leitfähigkeit des Elektrolyten, Ladungstransfer, Ionendiffusion. Das Risiko für Lithium-Plating sinkt spürbar.
Genau das spiegelt sich auch in den gemessenen Temperaturverläufen wider.
Die Konsequenz für die Tests
Was bedeutet das für das Batterietesting insgesamt? Die Ergebnisse vieler veröffentlichter Studien lassen sich nur schwer miteinander vergleichen, weil die thermische Randbedingung während der Alterung selten identisch ist. Manche Labore nutzen Klimaschränke mit Luftzirkulation, andere setzen auf Kühlplatten oder passive Halterungen, wie sie häufig bei Pouch- oder prismatischen Zellen zum Einsatz kommen.
Dazu kommt: Selbst innerhalb desselben Klimaschranks kann die Position der Zelle bereits mehrere Grad Unterschied ausmachen. Unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten, je nachdem, ob eine Zelle nah am Lüfter oder in einer strömungsarmen Ecke platziert ist, führen zu verschiedenen Wärmeabfuhrraten und damit zu unterschiedlichen Temperaturverläufen während der Zyklisierung. Zwei nominell identische Tests im selben Gerät können so zu systematisch unterschiedlichen Alterungsergebnissen führen.
Hinzu kommt, dass sich die Labordaten oft nur bedingt auf das Verhalten in der Endapplikation übertragen lassen: In realen Systemen sind Zellen thermisch an benachbarte Zellen und ein Gehäuse gekoppelt und werden oft aktiv gekühlt – Bedingungen, die im Labor gezielt nachgebildet werden müssen.
Fazit: Thermische Randbedingungen gehören ins Protokoll
Die Ergebnisse legen nahe, dass die thermische Randbedingung in Alterungs und -Performance keine Nebensache ist, unabhängig davon, ob es um Elektrofahrzeuge, Power Tools oder elektrische Fluggeräte geht. Wer Testergebnisse sinnvoll interpretieren und auf die Endapplikation übertragen will, sollte sie gezielt definieren und im Protokoll festhalten.