Batteriespeicher existieren bereits seit dem frühen 19. Jahrhundert und wurden seitdem stetig weiterentwickelt [4]. Konkret unterscheidet man zwischen primären und sekundären Energiespeichern. Primäre Speicher sind Energiespeicher, die nur einmal geladen und entladen werden [13]. Als Beispiel dient eine Standard Alkali-Batterie, welche nach ihrer Nutzung nicht wieder aufgeladen werden kann. Sekundäre Energiespeicher sind Speicher, die mehrfach geladen und entladen werden können [13]. Zu diesen zählen unter anderem alle heutzutage bekannten Li-Ionen-Akkumulatoren. 

Die nachfolgende Darstellung fokussiert sich insbesondere auf die Eigenschaften von Li-Ionen-Zellen. Dennoch ist wichtig zu erwähnen, dass Energie ebenfalls in anderen Formen gespeichert werden kann, beispielsweise in Form eines mechanischen Pumpspeichers. Diese Formen der Speicherung sind jedoch für die Anwendung in mobilen Baugeräten nicht von Relevanz und werden daher nicht näher benannt.

Verschiedene Akkutypen [5]

Die im Folgenden dargestellten Batterietypen stellen eine Auswahl von derzeit gut verfügbaren und daher typischen Zelltypen dar.

NMC-Zellen (Nickel-Mangan-Kobalt) gehören zur Überkategorie der Li-Ionen-Zellen. Sie besitzen eine hohe Energiedichte und ebenfalls gute Leistungsfähigkeit. Daher wird dieser Zelltyp insbesondere im Bereich der E-Mobilität verwendet. Die hohe Energiedichte sorgt für eine möglichst große Batteriekapazität mit gleichzeitiger Minimierung des von der Batterie eingenommenen Raums. Ein Nachteil der Zellen ist der ressourcenintensive Herstellungsprozess, welcher für hohe Kosten als auch für hohe CO2-Emissionen sorgt. Die Zellen laufen bei sehr hohen Temperaturen oder strukturellen Beschädigungen zudem Gefahr, ein thermal runaway zu durchlaufen. Bei diesem reagieren die Bestandteile der Kathode und der Anode in einer stark exothermen Reaktion miteinander, welche nicht kontrolliert werden kann. 

LFP-Zellen (Lithium-Eisenphosphat) gehören ebenfalls zur Überkategorie der Li-Ionen-Zellen. Sie weisen eine geringere Energiedichte auf, als NMC-Zellen. Bei hohen Raumanforderungen ist dieser Zelltyp somit nur bedingt geeignet. Aufgrund ihrer hervorragenden Zyklenbeständigkeit - und somit langsamen Alterung - werden LFP-Zellen unter anderem in stationären Batteriespeichern mit hoher Zyklenzahl verwendet. Zudem ist die Herstellung der Zellen aufgrund geringerem Ressourcenverbrauchs deutlich kostengünstiger und stößt weniger CO2 aus, als bei NMC-Zellen. LFP-Zellen weisen zudem eine sehr hohe thermische Stabilität auf und laufen keine Gefahr einer thermal-runaways.

NIMH-Zellen (Nickel-Metallhydrid-Akkumulator) sind  sehr kostengünstig und ressourcenschonend. Sie sind unter anderem in der Hybrid-Technologie weit verbreitet. Bekannt sind sie zudem, da sie als wiederaufladbare Alkali-Batterie-Alternative verwendet werden können. Aufgrund ihrer geringen Zyklenbeständigkeit (~500 Zyklen) sind sie für größere Speicher und vollelektrische Mobilitätslösungen nur in speziellen Anwendungen geeignet.

Aufbau eines Akkupacks [5][6][7]

Ein Akkupack kann auf mehreren Ebenen betrachtet werden. Im Folgenden werden diese strukturell von klein nach groß dargestellt.

Von der Reaktion zur Zelle [14][15]

Um die Austauschfläche zwischen Kathode und Anode zu maximieren, werden diese häufig zu Zellen gewickelt. Somit schaltet man praktisch alle ablaufenden Einzelreaktionen parallel und maximiert die verfügbare Leistung der Zelle. Eine Li-Ion Zelle liefert - je nach Ladung und Typ- zwischen 1,9 und 4,2 Volt. Diese Spannung ist unabhängig von der Anzahl der Wicklungen. Somit bestimmt die Wickelzahl lediglich die Kapazität und maximale Stromstärke einer Li-Ionen-Zelle.

Ebenfalls bekannt ist die Möglichkeit der Schichtung von Anode, Kathode und Separator. Somit wird keine runde oder ovale Zelle hergestellt, sondern eine quadratische Zelle. Diese Form der Herstellung ist jedoch aufwendiger und kostenintensiver.

Lebenszyklus [5][8][9][16]

Li-Ionen-Akkus weisen mit der Zeit Verschleißerscheinungen auf. Zu diesen zählen unter anderem eine schlechtere Kapazität als auch geringere Leistungsfähigkeit. Die Verschleißerscheinungen sind auf chemische Veränderungen innerhalb der Zelle zurückzuführen. Um Verschleißerscheinungen möglichst zu minimieren sind die im Folgenden dargestellten Variablen und Eigenschaften von besonderer Bedeutung.

Definition: End of Life [5][8][9]

Eine Lithium-Ionen-Zelle verliert mit zunehmendem Gebrauch und Alterung stetig an Kapazität. Die verbleibende Restkapazität, auch SoH (State of Health) genannt, wird häufig prozentual angegeben. So besitzt eine Zelle mit einem SoH von 85 % noch 85 % der ursprünglichen Speicherkapazität. Aufgrund dieser geeigneten Angabe wird das End of Life von Li-Ionen-Batterien häufig anhand des SoH festgemacht. Eine genaue Definition existiert jedoch nicht.

Viele wissenschaftliche Ansätze legen das End of Life einer Zelle bei 80 % verbleibender Restkapazität fest. Ab diesem Wert gilt eine Zelle als verschlissen und sollte ersetzt werden. Weitere Quellen liefern jedoch die Erkenntniss, dass die Zellen auch unterhalb von 80 % noch gute Leistungen liefern können. Das End of life kann somit auch bei 70 % SoH angesetzt werden, einige Quellen deuten sogar auf 60 % SoH hin.

Unterhalb dieser End-of-life-Schwelle geht man davon aus, dass die auftretenden Degradationseffekte deutlich unvorhersehbarer und beschleunigter auftreten, als überhalb der Schwelle. Somit wird die weitere Nutzung gefährlicher und  unberechenbarer. Zudem ist in einigen Anwendungen die verbleibende Speicherkapazität schlicht zu gering, um weiterhin gute Leistungen zu bringen. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Degradation der Akkus von Elektroautos. Bei sinkender Restkapazität sinkt die Reichweite ebenfalls. Auch bei elektrischen Baumaschinen tritt dieses Problem auf. Mit zunehmendem Verschleiß sinkt die Akkulaufzeit, die Baumaschine muss häufiger geladen werden.

Was führt zur Alterung? [16][17][18]

Der Kapazitätsverlust von Zellen beruht auf chemischen Reaktionen innerhalb der Zelle. Häufig wird von sogenannten SEI, solid electrolyte interphase, gesprochen. Das Elektrolyt liegt standardmäßig flüssig in der Zelle vor. Mit der Zyklenzahl beginnt es, sich zu festigen und somit nicht mehr für den Li-Ionen-Transport geeignet zu sein. Die Zelle verliert an Kapazität, da ein Teil der Anodenoberfläche von der SEI blockiert wird. Mit der Zyklenzahl kann die eingenommene Fläche der SEI wachsen und somit weitere Kapazitätsverluste verursachen.

Weitere Ursachen für einen Kapazitätsverlust sind unter anderem: Lithium Plating mit Dendritenbildung, Korrosion der Stromableiter, Kontaktverlust zwischen Stromableitern und aktiv-Material und die Elektrolytzersetzung. Eine genaue Beschreibung der genannten Mechanismen ist dem unterhalb eingebetteten Video zu entnehmen [18]

Variablen: Temperatur und Ladezustand [8][9][17]

Ein wichtiger Faktor Faktor für die Lebenserwartung von Li-Ionen-Batterien ist ihre Temperatur und Ladezustand während der Lagerung. Da die meisten Batterien nicht dauerhaft genutzt oder geladen werden trägt dieser Faktor maßgeblich zur kalendarischen Alterung der Zellen bei. Hohe Temperaturen führen, ebenso wie hohe negative Temperaturen, zu einem frühzeitigen Verschleiß der Zellen. Somit sollten Li-Ionen-Zellen stets bei 25 bis 30 °C gelagert werden, um ihre Lebensdauer zu maximieren. Auch im Betrieb müssen hohe Temperaturen vermieden werden. Zu diesem Zweck haben hochleistungsfähige Akku-Packs meist aktive Kühllösungen verbaut. So werden schädigende hohe Temperaturen vermieden und auch die Gefahr eines thermal runaway minimiert. 

Werden Zellen mit einem hohen Ladezustand eingelagert kann dies ebenfalls schädlich für die Lebensdauer sein. Aufgrund dieser Tatsache ist es gesünder, einen Akku stets nur bis 80 % zu laden, um Spannungsspitzen zu vermeiden. Sollten tatsächlich 100 % der Akkukapazität benötigt werden, so sind viele BMS in der Lage, zeitgesteuert und kurz vor Nutzungsbeginn von 80 auf 100 % zu laden. Somit wird die Zeit, welche der Akku bei sehr hohem Ladestand gelagert wird minimiert.

Anmerkung: Verschiedene Zellchemien weisen unterschiedliche Lade- und Temperaturoptima auf. Um die Lebensdauer der Zellen zu maximieren, sollte auf diese Unterschiede besonders acht gegeben und bei Bedarf der Hersteller kontaktiert werden.