Was verursacht die dauerhafte Abnahme der Speicherkapazität bei alternden Akkus?

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Die dauerhafte Abnahme der Speicherkapazität bei Akkus (insbesondere bei den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus) wird als Degradation bezeichnet. Dies ist kein einzelner Effekt, sondern eine Kombination aus verschiedenen chemischen und physikalischen Prozessen.

Hier sind die Hauptursachen für das Altern von Akkus:

1. Bildung und Wachstum der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase)

Dies ist die bedeutendste Ursache. Beim ersten Laden bildet sich an der Anode (Minuspol) eine dünne Grenzschicht aus zersetztem Elektrolyt und Lithium-Ionen.

  • Das Problem: Diese Schicht ist einerseits notwendig, um den Akku zu schützen, aber sie wächst mit jedem Ladezyklus weiter.
  • Die Folge: Da für den Aufbau dieser Schicht Lithium-Ionen verbraucht werden, stehen diese nicht mehr für den Stromfluss zur Verfügung. Zudem erhöht die dicker werdende Schicht den inneren Widerstand, was den Akku ineffizienter macht.

2. Mechanische Belastung (Volumenausdehnung)

Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen in das Kristallgitter der Elektroden hinein und wieder heraus (Interkalation).

  • Das Problem: Das Material dehnt sich dabei aus und zieht sich wieder zusammen (wie ein Schwamm).
  • Die Folge: Mit der Zeit entstehen mikroskopisch kleine Risse im Elektrodenmaterial. Teile des Materials verlieren den Kontakt zum Stromkreislauf und können keine Energie mehr speichern.

3. Zersetzung des Elektrolyten

Der Elektrolyt ist die Flüssigkeit, in der die Ionen hin- und herwandern.

  • Das Problem: Durch chemische Nebenreaktionen (gefördert durch Hitze oder hohe Spannungen) zersetzt sich der Elektrolyt schleichend.
  • Die Folge: Es entstehen Gase oder festes Material, das den Ionenfluss behindert. Der Akku "trocknet" chemisch gesehen aus.

4. Lithium-Plating (Lithium-Abscheidung)

Dieser Effekt tritt besonders auf, wenn der Akku bei sehr niedrigen Temperaturen oder mit zu hohem Strom (Schnellladen) geladen wird.

  • Das Problem: Die Lithium-Ionen lagern sich nicht in der Anode ein, sondern bilden metallisches Lithium auf deren Oberfläche.
  • Die Folge: Dieses metallische Lithium steht für die chemische Reaktion nicht mehr zur Verfügung. Im schlimmsten Fall können sich spitze Kristallnadeln (Dendriten) bilden, die den Separator durchstoßen und zu einem Kurzschluss (und Brand) führen können.

5. Oxidation an der Kathode

Auch an der Kathode (Pluspol) finden Alterungsprozesse statt.

  • Das Problem: Bei hohen Spannungen (wenn der Akku auf 100 % geladen ist) wird die Struktur der Kathode instabil. Es kann Sauerstoff aus dem Kristallgitter austreten.
  • Die Folge: Die Struktur kollabiert teilweise, und es gibt weniger Plätze, an denen sich Lithium-Ionen anlagern können.

Faktoren, die diesen Prozess beschleunigen:

  1. Temperatur: Hitze ist der größte Feind des Akkus. Chemische Nebenreaktionen laufen bei hohen Temperaturen deutlich schneller ab.
  2. Ladezustand (State of Charge - SoC): Ein Akku fühlt sich bei ca. 50 % am wohlsten. Ihn dauerhaft bei 100 % (hohe Zellspannung) oder nahe 0 % (Tiefentladung) zu lagern, stresst die Chemie enorm.
  3. Lade- und Entladeströme: Schnelles Laden und Entladen erzeugt Hitze und mechanischen Stress (siehe oben).

Zusammenfassend: Ein Akku altert, weil bei jedem Ladezyklus ein kleiner Teil der aktiven Chemie durch Nebenreaktionen "verloren geht" oder das Material durch die ständige Bewegung der Ionen mechanisch verschleißt.

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