Jul 14 2015

Akku Mythen: Ein LiIon braucht paar Zyklen bis er taugt

veröffentlicht in Kategorie Akku-Tests  

Hat glaub jeder schonmal gehört: ein Lithium Ionen Akku muss erst ein paar mal Geladen und Entladen werden, bis er seine volle Kapazität entwickelt. Wollen wir mal gucken?

Wieviel Zyklen so ein LiIon nun brauchen soll, bis er seine volle Kapazität entfaltet, das sagt irgendwie nie jemand. Aber noch viel spannender ist die Frage:  Ist da überhaupt was dran?

Auslöser war eine Diskussion: wir müssen unsere neu gekauften LiIon Akkus  erst mal über das automatischen Reycleprogramm des Eierlegendenwollmilchladers laufen lassen, weil man dann die besseren Ergebnisse bekäme. Ich halte das für Humbug, aber das Ganze für ein durchaus spannendes Thema, denn das wird in der Tat in der Akkucommunity mit einigem Enthusiasmus diskutiert und begegnet mir immer wieder: Ich kann Euch gar nicht sagen, wie oft ich schon gefragt wurde, in welchem Zyklus ich die Akkukurve X gemacht habe.

3 Thesen fliegen durchs Netz – die komplexeste zuerst:

  1. Ok, das wird ein harter Brocken: in der Zeit der Lagerung primär vor Verkauf und Transport zum Endkunden bilde sich während des Rumliegens also zusätzlich zum seit der Produktionen der Zelle vorhandenen SEI Film der Anode (vgl. AG Roling an der Uni Marburg ) nun auch an der Kathode eine weitere, IPF genannte, passivierende Schicht, welche den Elektronenfluss zusätzlich behindere, die Leistung des Akkus schmälere, den Innenwiderstand erhöhe und letztendlich sogar irgendwie zum Plating führe (Plating ist ein bekanntes Problem mit Ablagerungen an der Anode und kommt vom Laden nicht vom Lagern). Während die SEI nur mit enormen Schäden (Totalverlust) an der Zelle aufgelöst werden kann (Stichwort: Thermal Runaway) und unverzichtbar für die Stabiltät der Zelle ist, soll sich die IPF durch mehrfaches Laden und Entladen wieder abbauen lassen… [ Wenn, ja wenn sie denn überhaupt da wäre. ]
  2. danach könne der Akku neu bzw. vollständig “formatiert” werden. Durch das Formieren erhöht sich in der Tat die Kapazität des jeweiligen Akkus.. [ allerdings nicht bei LiIon sondern bei NiMH/NiCad ]
  3. Ganz ohne dubiose Schichten kommt die wesentlich simplere Behauptung aus, Li-Ions müssten erst “eingefahren” werden, der englische Fachausdruck dafür ist “Priming”. Im Grunde ist es das selbe wie 2)

Da sind also zusätzliche bremsenden Schichten und Formieren/Priming wird als Zusatz-Joker mit dazu geworfen. So nach dem Motto, irgendwas wird schon zutreffen. Formieren passt eigentlich nicht zum Schichtenproblem, ist aber ein reales Phänomen bei Haushaltsakkus, dort gibt es das tatsächlich. Bei den Schichten frag ich mich immer, ob das ganze nicht auf eine falsch verstandene Erklärung der chemischen Abläufe und dem ganz realen Problem des Platings zurück geht. Ist ja schon auch verwirrend – da sind so schon einige Schichten am Start, darunter auch die tatsächlich gewollt bremsende SEI.

Da ich von meinem Testbericht zum Samsung INR18650-30Q noch eine fabrikfrische und bisher ungenutzte Zelle über hatte, werde ich den Test damit mal schnell nachstellen. Wobei schnell ist gut, das wird sich jetzt ein paar Tage hinziehen.

Bei der Samsung 30Q handelt es sich wie bei fast allen aktuell für uns Dampfer relevanten Akkus heute um eine Li(NiMnCo) oder kurz NMC Mischchemie (auch gerne als INR bezeichnet).  Für den Test habe ich mich für einen wie ich denke praxisnahen Entladestrom von 10 A entschieden. (der 20 A Knüppel hat eine bekannt extrem schnelle Alterung der meisten Zellen zur Folge, das fand ich jetzt nicht sinnvoll, wenn wir überhaupt die Chance haben wollen, eine Steigerung zu erkennen)

Die Vorbereitung:

Wie alle Akkus ab Werk erreichte mich der 30Q mit einer Akkurestspannung um 3.8 V – 3.6 V. Das ist vollkommen korrekt so: LiIon Akkus, die lange nicht genutzt werden, sollten möglichst nicht voll geladen und auf gar keinen Fall entladen gelagert werden, sonst altert der Akku schnell – das ist Fakt. Hier findet die Bremschichten-These also erst mal einen durchaus glaubwürdigen Aufhänger.

Ein Händler, der mir einen Akku mit 4.2 V frisch vollgeladen schickt, bekommt von mir den Akku übrigens umgehend zurückgeschickt. Warum ich das so mache? Ein Akku der hier mit 4.2 V ankommt, mit dem wurde schon irgendwas gemacht. Viele mögen jetzt sagen: “Ach, der Händler meint es nur gut mit mir und will mir das erste Laden ersparen”, meiner Erfahrung nach überwiegen jedoch die Fälle, wo was vertuscht werden sollte. Da waren dann schon komplett ausgenudelte Konions oder überlagerte Oldizellen von Anno-dazumal (Datumscode), auch mal schrottreife Akkufakes und alles mögliche drunter. Wenn ich 4.2 V sehe, dann werde ich richtig misstrauisch.  

Der allererste Vorgang – Zyklus 0 – ist bei mir immer Entladen auf die im Datenblatt angegebene Entladeschlussspannung (hier beim 30Q sind das 2.5 V) und anschließendes Vollladen. Man sieht hier schon: dem Zyklus Null traue ich auch nicht, da ist also so rein Psychologisch schon etwas, was stört. Nachgemessen hab ich allerdings auch nicht. Die Beschreibung der LiIon Akkueigenschaften:

  • LiIon haben keine “Ladegedächtnis”  (Memory Effekt)
  • es ist egal ob ich einen komplette Vollladung oder mehrere kürze Zwischenladungen mache

lassen eigentlich wenig Platz für Zweifel an der Stelle.

Die Referenzkurve für den Samsung 30Q:

Vor Beginn dieser Kurve habe ich den Innenwiderstand mit dem ELV RIM 1000 Testgerät gemessen, er betrug wie zuvor bei den Dampfakkus.de Tests schon für die Samsung 30Q  gemessene 18 milliOhm.

Achtung: je nach Messverfahren, Messgerät und gewählten Messparameter unterscheiden sich die Ergebnisse einer Innenwiderstandsmessungen erheblich, dadurch sind Ergebnisse aus unterschiedlichen Tests mit unterschiedlichem Setup nicht direkt vergleichbar.

Zyklus 1

Zyklus 1. 2,927 Ah, 9,843 Wh ,18 mOhm. (Klick macht immer Groß)

So, damit haben wir nun unsere Referenzkurve. Gemäß der Theorie der Zyklenanhänger müsste sich die Akkuperformance demnächst erhöhen, der 2. Zyklus ist jedoch wenig überraschend, die Kurve 2 läuft mehr oder minder exakt über der Kurve von Zyklus eins, minimale Abweichungen, im Rahmen der Messungenauigkeit, der Innenwiderstand identisch:

Zyklus 2

Zyklus 2: 2,910 Ah 9,796 Wh

Sind wir ehrlich, wir haben nix anderes erwartet, oder? Ok, vielleicht eher noch weniger Abweichung, aber das ist nun mal kein Profi Equipment hier. So und jetzt kam dann was interessantes:

zyklus3

Zyklus 3: ein Sprung nach oben. 2,965 Ah 10,028 Wh

Zyklus Kapazität (Ah) Energie (Wh)
#1 2.910 Ah   9.796 Wh
#3 2.965 Ah 10.028 Wh
= 101,9 % 102,4 %

Da hier die Energie (die Yihi und Dicodes lassen grüßen) die relevantere Einheit ist, sagen wir: in Zyklus #3 hatten wir etwa 2,5% mehr nutzbare Energie zur Verfügung als in Zyklus 1.

Hmm.. 2.5% nun, bitte nicht schlagen, aber 2.5% ist jetzt nicht soo arg viel. Ja, für nen Kurvenvergleich so rein optisch macht es schon was aus, in der Dampferpraxis ist das nun eher wenig, das dürfte keinen Zug ausmachen und wenn ich es auch nur ungern zugebe wäre auch das ist noch im Rahmen eines Messfehlers.

Aber, sind wir positiv, werten wir es als Abbau einer bremsenden Schicht und als tatsächliche Leistungsverbesserung in Zyklus 3 und wir sind ja noch lange nicht fertig. Frisch ans Werk mit Zyklus 4:

Zyklus 4 is im Grunde auf dem NIveau von Zyklus 3.. leider keine weitere Steigung mehr

Zyklus 4 enttäuscht leider

Zyklus 4 is im Grunde auf dem Niveau von Zyklus 3, aber definitiv keine weitere Steigung mehr. Überhaupt, war von Zyklus #3 an dann ein stetig absteigender Trend zu sehen, keine der nachfolgenden Kurven konnte Zyklus 3 mehr überbieten.

Zyklen 3 bis 10: liegen irgendwo zwischen Zyklus 1 als Grundlinie und dem gemessenen Maximum in Zyklus 3

Zyklen 3 bis 10 liegen irgendwo zwischen Zyklus 1 als Grundlinie und dem gemessenen Maximum in Zyklus 3

Während Zyklus 4 noch etwa auf dem Niveau vom Zyklus 3 war, ab Zyklus 5 gings dann doch klar erkennbar nur noch bergab, keine Kurve kam der Kurve in Zyklus #3 mehr nahe, nicht nur das: Kurven 9 und 10 lagen dann schon sichtbar unter der Referenz aus Zyklus 1.

So, jetzt muss ich die Datei wechseln, weil der CBA IV nur 10 Kurven pro Datei nimmt, die Kurve 1 wurde rüberkopiert und dann mit Kurven 11 bis 14 weiter geloggt, also schauen wir weiter:

Zyklen 11-14: alle Schwächer als die Referenzkurve

Zyklen 11-14: alle Schwächer als die Referenzkurve

Zyklus 14 war das bisher schlechteste Ergebnis überhaupt für diesen Akku:

Zyklus Kapazität Energie
#1 2.910 Ah   9.796 Wh
#14 2.868 Ah 9.643 Wh
= 98,6 % 98,4 %

Also haben wir nach dem vollendeten 14. Zyklus nun 1,6% der ursprünglich mal abrufbaren Energie schon verloren. Hätten wir die Kurven mit 20 A gemacht, wäre das noch viel drastischer ausgefallen.

Der Akku zeigt an diesem Punkt nun also die ersten Alterserscheinungen, dies spiegelt sich auch im Innenwiderstand wieder: von einstigen sehr guten 18 milliOhm ist der Innenwiderstand nun auf immer noch ordentliche 22 milliOhm angestiegen – immerhin gut 20% höher.

Der Innenwiderstand lässt Rückschlüsse auf das Lastverhalten zu, je niedriger, umso stabiler. Notiert man sich bei einem neuen Akku den anfänglichen Innenwiderstand kann man später durch einen direkten Vergleich mit identischem Setup z.b. im Opus BT-C3100 Ladegerät oder vielen Modellbauladern wie den allseits beliebten Imax B6 Klonen dann innerhalb weniger Sekunden recht verlässlich Auskunft über den Zustand des Akkus erhalten, ohne dass man wie hier geschehen, tatsächlich komplette Entlade-/ Ladevorgänge gefahren werden müssen.

Händlern würde ich den Griff zum ELV RIM1000 ans Herz legen wollen, das kost nicht viel und erlaubt beim Wareneingang und bei der Retourenannahme einen schnellen Blick, was nun tatsächlich Sache ist. Wenn ihr es gleich einstellt wie ich, könnt ihr sogar die Werte aus Dampfakkus.de als grobe Richtline nehmen.

Vergleichen wir Zyklus 1 und 14 nochmal direkt:

DFas ist glaub recht deutlich

Zyklus 1 vs 14 ohne das Gewimmel dazwischen: so sieht ein nimmer ganz so frischer Akku aus

Der Akku ist noch immer fit genug für hohe Lasten, aber so wie es die Kurve zeigt, er hat schon Federn lassen müssen. Dass dieser Akku jemals nochmal das Maximum aus Zyklus 3 übertreffen wird, halte ich bei der Ausgangslage für unmöglich. Der Innenwiderstand hat sich verschlechtert anstatt verbessert. Wenn es eine Bremsende Schicht gibt, dann wird es dann jetzt mal langsam Zeit für eine Auflösung dieser – oder wann soll die große Verbesserung jetzt noch kommen? Die nachfolgenden Zyklen bis einschließlich #25 in folgenden zwei Charts bleiben alle hinter der Referenzkurve zurück:

Zyklen 11 bis 19

zyklen-bis-25

Zyklen bis 20 bis 25

Zyklus 25:

Nochmal im Detail: Zyklus 1 vs. Zyklus 25

Nochmal im Detail: Zyklus 1 vs. Zyklus 25

Inzwischen sind wir bei einem Innenwiderstand von 23mOhm angekommen, die Performance sinkt derzeit also nicht mehr ganz so schnell wie zu Beginn, von einer Verbesserung ist allerdings weit und breit nichts zu bemerken.

Zyklus Kapazität Energie
#1 2.910 Ah   9.796 Wh
#25 2.854 Ah 9.570 Wh
= 98,1 % 97,7 %

1.9% Verlust an Kapazität, 2,3% Verlust  an nutzbarer Energie nach 25 Zyklen für die Samsung 30Q. Industrie Standard sind nach ca. 300 Zyklen 30% Kapazitätsverlust. Aber soweit will ich das jetzt nicht mehr weiter treiben, das is dann schon ein bissl fad…

Fazit zum Zyklentest:

Eine maximale Steigerung in Zyklus 3, die bei grad mal 2.5% liegt und keine 3 Zyklen andauert, da halte ich den Satz: “Man muss ein paar Zyklen warten, bis ein LiIon seine volle Leistung entfaltet” für unpassend. Da muss man ja wie der Luchs aufpassen, dass man dieses Mini-Hoch nicht aus Versehen verpasst.  Ein Abbauen irgendeiner bremsenden Schicht oder irgendeine relevanten Leistungsverbesserung kann ich in diesem Setup nicht erkennen, ich erkenne ein stetiges Abbauen einer Zelle, so wie ich das erwarten würde, inkl. kleinen Abweichungen.

Ja, das ist jetzt nicht repräsentativ, gerade mal eine einzige Zelle herauszupicken und von dieser einen einzigen Zelle auf alle LiIons in der weiten Welt inkl. aller möglichen Chemievarianten was sagen zu wollen, ich formuliere daher sehr vorsichtig:

Das mag vielleicht mit anderen Akkus oder mit Minimal-Entladenströmen von 0,1 C, 0,2 C anders aussehen, aber ich persönlich habe den Fall, dass sich die Kapazität relevant erhöht hätte, in über 500 für Dampfakkus.de vermessenen Akkus noch nie bemerkt. In einem niedrigen einstelligen % Bereich mag das Ergebnis immer wieder mal schwanken, ja, aber dabei von einer Leistungssteigerung durch Zyklen zu sprechen, halte ich für übertrieben.

Vielleicht kann mir ein Verfechter der “Ein Lion entwickelt erst nach X Zyklen seine volle Leistung“-Fraktion mal die Eckdaten seiner Versuchsreihe geben, damit ich es damit nochmal probieren kann?

Achtung, das soll absolut nicht heißen, dass misshandelte Akkus mit gezielten und teilweise auch unkonventionellen “Ladeaktivitäten” nicht wieder reaktiviert werden könnten. Nein, dieses Reaktivieren beschädigter Akkus funktioniert, ist aber ein anderes Thema, nicht ganz ohne gewisses Gefahrenpotential und stupides Laden-/Entladen auch da nicht zielführend.

Battery University sagt zu dem Thema:

… manufacturers of lithium-ion batteries […] say that Li-ion is ready at birth and does not need priming.

und im Abschnitt über LiIon zu den Schichten:

Some battery users insist that [the IPF] passivation layer develops on the cathode of a lithium-ion cell after storage. Scientists do not fully understand the nature of this layer […] Some scientists deny outright the existence of the IPF, saying that the idea is highly speculative and inconsistent with existing studies.

http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prime_batteries

PS:

Im übrigen muss ich nun ein Geständnis machen, das Leistungsplus in Zyklus 3 und 4 kommt primär daher, weil es an diesem Tag deutlich wärmer war als an den anderen Tagen, höhere Raumtemperatur bewirkt klare Leistungssteigerung des Akkus.. es gab hier also nicht mal eine 2.5% Steigerung, vermutlich gab es überhaut keine.. Drum macht man professionelle Akkutests in nem klimatisierten Raum, den ich leider nicht habe..

Man lernt: viel mehr als eine das mögliche Verschwinden einer mysteriösen Bremsschicht oder die dubiose Neuformierung wirkt sich die aktuelle Temperatur des Akkus aus. Ein Effekt, der gut erforscht und unstrittig ist.

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10 responses so far

10 Responses to “Akku Mythen: Ein LiIon braucht paar Zyklen bis er taugt”

  1. Gudula Uellendahlon 14 Jul 2015 at 09:29

    Vielen Dank für diesen Meßmarathon. Nicht nur in technischer Hinsicht lehrreich und lesenswert. An Dir ist ein Journalist und Texter verloren gegangen. Danke für ein kurzweiliges und heiteres Lesevergnügen.

  2. Ironon 14 Jul 2015 at 10:37

    Klasse Test, der mit dem Mythus durch fundierte Testreihen aufräumt!
    Alleine 25 Ladezyklen durchzuhalten finde ich schon klasse! Mir wäre schon wesentlich eher “fad” geworden!

    Kompliment, bitte mach weiter so! ;)

    Iron

  3. Martinon 14 Jul 2015 at 13:17

    Du bist echt ein Top Informations-Blogger, mit jedem Posting bin ich begeisterter über Deine Test- und Aufklärungsarbeit. Danke für eine weitere kurzweilige Lehrstunde :)

  4. Karl Hornbachon 17 Jul 2015 at 16:53

    Wieder mal ein sehr guter Artikel.
    Und ja, ich bewundere auch Deine Geduld. ;-)

  5. rolandon 20 Jul 2015 at 12:37

    Tja der Mensch will halt was glauben, vor allem wenn es irgendwie technisch argumentiert wird und sich gut anhört.
    Unter den Modellfliegern gibts auch die Weisheit, daß die Lipos erst nach einigen Ladungen “Druck” aufbauen. Bestehende “Meinungen” zu ändern ist fast unmöglich, selbst wenn das Gegenteil noch so fundiert belegt werden würde.

  6. Ollion 27 Jul 2015 at 00:09

    super Artikel. Kurze Frage. Ab welchem innenwiderstand sollte man den deiner Meinung nach den Akku entsorgen/austauschen?

  7. adminon 29 Jul 2015 at 07:51

    Olli, das ist ein bissl schwammig, je nach Messmethode erhälst du einen anderen Innenwiderstand. Da also nun zu sagen, ab präzise xx mOhm isser nix mehr geht also nicht. Ich würde sagen, wenn sich der Innenwiderstand gemessen bei vollem Akku beim Raumtemperatur verdoppelt hat, ist er für hohe Lasten nicht mehr gut. Also vorher messen, wenn man den Akku neu hat, aufm Akku notieren und dann immer wieder mal gegentesten.

    Anderer Test, wenn er mehr als 30% seiner ursprünglichen Kapazität verloren hat.

  8. wubbileinon 08 Oct 2015 at 12:26

    Das sind ja wirklich einmalige Informationen über LiIonen-Zellen und wie diese für das “dampfen” (nie gemacht und keine Ahnung :-) geeignet sind. Jetzt wird das Einsatzspektrum der LiIonen-Technologie ja langsam aber sicher enorm groß. Ob jetzt Autos von Tesla (mit über 7000 Zellen) oder Akku-Grid-Blöcke für das Eigenheim von Sony, Tesla oder sogar Daimler.
    Mich interessieren die Akku-Packs für Akku-Werkzeuge (vom Schrauber bis zum Laubbläser) jetzt schon seit geraumer Zeit. Da sind dann auch Eigenschaften wie z. B. “Verhalten bei unter 5 Grad” oder “Unterschiede bei der Schnellladung bis 4A” von Bedeutung.
    Mir ist schon klar, dass diese vielen Parameter mit ihren Abhängigkeiten eigentlich nur noch in Forschungslabors analysiert werden können. Aber vielleicht hast Du ja dazu auch gute Informations-Quellen über Theorie und Praxis?

  9. adminon 12 Oct 2015 at 19:26

    Moin Wubbilein und Sorry für die späte Antwort. In der Richtung habe ich leider nicht wirklich was gemacht. Das Thema Akkupacks werde ich im neuen Jahr spätestens angehen (müssen, dort bewegt sich auch der eZigasrettenmarkt hin)..

  10. Joboon 08 Jan 2016 at 15:48

    klasse messreihe endlich Schluss mit dem Mythos!

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