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Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien hängt stark davon ab, wie sich Temperatur auf die inneren chemischen Reaktionen auswirkt. Wenn die Temperatur um nur 10 Grad Celsius über Raumtemperatur (etwa 77 °F) ansteigt, bewegen sich die Ionen im Inneren um 40 bis 50 Prozent schneller. Dadurch leitet die Batterie Strom besser, was jedoch langfristig zu einer Zersetzung der Bauteile führen kann. Bei Temperaturen über 70 °C (etwa 158 °F) wird es besonders problematisch: Dann beginnt sich die sogenannte feste Elektrolyt-Schicht (SEI-Schicht) abzubauen. Diese Schutzschicht ist äußerst wichtig, um die Elektroden zu schützen; sobald sie beschädigt ist, verliert die Batterie dauerhaft Kapazität. Auf der anderen Seite verursacht auch kaltes Wetter Probleme. Unterhalb von 5 °C (etwa 41 °F) wird die Flüssigkeit in der Batterie deutlich zähflüssiger, wodurch die Ionen sich nur noch schwer durchbewegen können. Dies bedeutet weniger verfügbare Leistung – etwa eine Verringerung der nutzbaren Energie um 15 bis 30 Prozent.
Wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt sinken, stehen Batterien vor erheblichen Herausforderungen. Der Elektrolyt im Inneren wird bei etwa -20 Grad Celsius (-4 Fahrenheit) deutlich zähflüssiger, wodurch seine Viskosität um 300 bis 500 Prozent ansteigt. Gleichzeitig sinkt die Fähigkeit der Batterie, Ladung aufzunehmen, um etwa 60 %. Zusammen führen diese Probleme dazu, dass der innere Widerstand im Vergleich zu normalen Raumtemperaturen um 200 bis 400 Prozent stark ansteigt. Infolgedessen müssen diese 48-Volt-Lithium-Ionen-Systeme zusätzliche Anstrengungen unternehmen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Betrachtung tatsächlicher Leistungszahlen von Elektrofahrzeugen, die unter arktischen Bedingungen betrieben werden, zeigt zudem etwas Beunruhigendes. Fahrer berichten laut einer 2023 veröffentlichten Studie der Electrochemical Society, aufgrund all dieser zusammenwirkenden Faktoren fast ein Viertel ihrer üblichen Reichweite einzubüßen.
Wenn Batterien zu lange in heißen Umgebungen bei etwa 45 Grad Celsius (das sind rund 113 Grad Fahrenheit) stehen, zersetzen sie sich schneller als normal. Die Lebensdauer verkürzt sich dabei ungefähr auf das Zweieinhalbfache im Vergleich zu idealen Bedingungen. Aktuelle Tests aus dem Jahr 2023 zum thermischen Altern zeigten etwas Aufschlussreiches: Batterien, die bei dieser hohen Temperatur betrieben wurden, verloren nach nur 150 Ladezyklen etwa 15 % ihrer Kapazität, während jene, die bei Raumtemperatur (rund 25 °C) gehalten wurden, lediglich etwa 6 % einbüßten. Und es gibt noch ein weiteres Problem, das unter der Oberfläche stattfindet. Sobald die Temperaturen über 40 Grad Celsius steigen, wächst die SEI-Schicht innerhalb dieser Batterien dreimal so schnell wie üblich. Das bedeutet, dass mehr Lithiumionen dauerhaft gebunden werden und sich die Menge an nutzbarem Material in den Batteriezellen mit der Zeit langsam verringert.
Wenn Batterien bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geladen werden, verhält sich das Lithium-Ionen innerhalb der Batterie ungewöhnlich. Statt in die dafür vorgesehenen Stellen im Anodenmaterial einzudringen, bilden sie metallische Ablagerungen auf der Oberfläche. Was passiert danach? Diese Ablagerungen verursachen Probleme. Sie erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen um etwa 80 %, was ziemlich ernst ist. Außerdem führen sie dazu, dass die Gesamtkapazität der Batterie mit der Zeit schneller abnimmt. Zum Glück gibt es heute Diagnosetools, die diese frühen Anzeichen einer Metallablagerung erkennen, bevor es zu schwerwiegenden Schäden kommt. Unternehmen, die mit diesem Problem konfrontiert sind, mussten sehr strenge Regeln für die maximale Ladegeschwindigkeit von Batterien bei kalten Außentemperaturen einführen. Die meisten legen eine maximale Laderate von nicht mehr als 0,2C fest, sobald die Umgebungstemperatur unter fünf Grad Celsius fällt.
Das thermische Verhalten von 48-V-Lithium-Ionen-Batterien unterscheidet sich je nach Einsatzort erheblich. Bei Elektrofahrzeugen beispielsweise setzen die meisten Modelle heute auf indirekte Flüssigkeitskühlung, um die Batteriepacks während der Autobahnfahrt unter 40 Grad Celsius zu halten. Dadurch bleibt etwa 98 Prozent der ursprünglichen Batteriekapazität erhalten, selbst nach 1000 vollständigen Ladezyklen. Schwieriger wird es jedoch bei Energiespeicheranlagen für erneuerbare Energien in Wüstenregionen. Diese Systeme sind längeren Zeiträumen mit Umgebungstemperaturen ausgesetzt, die über 45 Grad Celsius steigen. Die Folge? Die Batteriekapazität verschlechtert sich etwa 12 % schneller im Vergleich zu ähnlichen Geräten in kühleren Gebieten. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, haben Hersteller fortschrittliche Batteriemanagementsysteme – kurz BMS – entwickelt. Diese intelligenten Systeme passen die Ladegeschwindigkeit automatisch an und aktivieren Kühleinrichtungen, sobald einzelne Zellen zu warm werden, typischerweise ab etwa 35 Grad Celsius. Branchenexperten betrachten diese Technologie als entscheidend, um die Lebensdauer von Batterien in anspruchsvollen Umgebungen zu verlängern.
Laut einer Studie aus dem Jahr 2023 über Lagerroboter verloren Batterien mit einer Nennspannung von 48 Volt, die täglich Temperaturschwankungen von minus 10 Grad Celsius bis hin zu 50 Grad Celsius ausgesetzt waren, nach nur 18 Monaten etwa 25 Prozent ihrer Leistung. Das entspricht einer dreimal schnelleren Alterung im Vergleich zu Batterien, die in kontrollierten Klimabedingungen gelagert wurden. Als die Forscher diese ausgefallenen Batterien zur genaueren Untersuchung auseinandernahmen, entdeckten sie Probleme wie Lithium-Abscheidung beim Start der Maschinen unter kalten Bedingungen sowie das Schrumpfen der Separatoren bei starken Temperaturanstiegen. Betrachtet man die andere Seite, zeigten industrielle Batterien, die mit einem thermischen Management-System ausgelegt wurden, eine deutlich bessere Leistung. Diese verwendeten spezielle Phasenwechselmaterialien, die dazu beitrugen, dass der elektrische Widerstand über 2000 Ladezyklen hinweg um plus oder minus 3 Prozent stabil blieb. Dies verdeutlicht klar, wie wichtig eine geeignete Temperaturregelung für Batterien ist, die unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen arbeiten.
Der Betrieb oberhalb von 40 °C beschleunigt die Alterung und reduziert die Zyklenlebensdauer um bis zu 40 % im Vergleich zu 25 °C (Nature 2023). Erhöhte Temperaturen destabilisieren die SEI-Schicht und fördern die thermische Zersetzung, was zu einer irreversiblen Kapazitätsminderung führt. Bei 45 °C können Batterien innerhalb von 300 Zyklen 15–20 % ihrer Anfangskapazität verlieren, bedingt durch Kathodenabbau und Elektrolyt-Oxidation.
Hohe Temperaturen setzen drei primäre Ausfallpfade in Gang:
Diese exothermen Reaktionen können eine selbsttragende Kettenreaktion auslösen. Untersuchungen zeigen, dass sich die Rate der Lithium-Abscheidung an der Anode bei jeder Temperaturerhöhung um 10 °C über 30 °C verdoppelt – ein entscheidender Vorläufer des thermischen Durchgehens.
Lithium-Ionen-Zellen geraten in ernsthafte Probleme, sobald die Innentemperatur etwa 150 Grad Celsius erreicht. Ab diesem Punkt treten sie in einen Zustand ein, der als thermisches Durchgehen bezeichnet wird, also eine Kettenreaktion, bei der die erzeugte Wärme schneller zunimmt, als sie entweichen kann. Die Folgen? Zellen können Gas abgeben, in Brand geraten oder innerhalb von Sekunden explodieren, wie verschiedene Branchenstudien belegen. Moderne Batteriemanagementsysteme haben solche Probleme zwar deutlich reduziert. Laut Herstellerangaben hat es seit 2018 laut Energy Storage News aus dem vergangenen Jahr nahezu 97 Prozent weniger derartige Vorfälle gegeben. Dennoch sind 48-Volt-Systeme besonders anfällig für einige äußerst gefährliche Ausfallszenarien, darunter:
| Risikofaktor | Schwellenwert des Aufpralls | Folge |
|---|---|---|
| Schmelzen des Separators | 130°C | Innerer Kurzschluss |
| Elektrolytzündung | 200°C | Flammenfortpflanzung |
| Katodenzerlegung | 250°C | Freisetzung giftiger Gase |
Aktive Kühlung und kontinuierliche thermische Überwachung sind unerlässlich, um katastrophale Folgen bei hohen Temperaturen zu vermeiden.
Lithium-Ionen-Batterien haben wirklich Probleme, wenn es kalt wird, weil die Ionen im Inneren mehr Widerstand haben, wenn die Temperaturen sinken. Wenn wir von etwas wie minus 20 Grad Celsius sprechen, sinkt die Batteriekapazität auf etwa 60% von dem, was sie normalerweise bei Raumtemperatur hält. Die Spannung nimmt auch einen Schlag, um etwa 30% zu fallen. Das ist sehr wichtig für Dinge wie Elektroautos oder Solarspeichersysteme, die sich abseits des Stromnetzes befinden. Diese Geräte brauchen konstante Energie, auch wenn Mutter Natur ihr schlechtes Winterwetter auf sie wirft, aber kaltes Wetter macht das viel schwieriger zu erreichen.
Wenn Batterien unter dem Gefrierpunkt geladen werden (das sind 32 °F für diejenigen, die noch Fahrenheit verwenden), treten im Wesentlichen zwei große Probleme auf. Erstens kommt es zu einem Phänomen namens Lithium-Abscheidung, bei dem sich metallisches Lithium an der negativen Elektrode der Batterie ablagert. Das ist nicht nur ärgerlich – Studien der Battery University zeigen, dass die Batterie jedes Mal, wenn dies geschieht, dauerhaft etwa 15 bis 20 % ihrer Gesamtkapazität verliert. Dann haben wir das Problem mit dem Elektrolyt. Bei Temperaturen von bis zu minus 30 Grad Celsius wird die Flüssigkeit innerhalb der Batterie etwa achtmal zäher als normal. Stellen Sie sich vor, Sie müssten Honig durch einen Strohhalm gießen, obwohl er eigentlich frei fließen sollte. Der verdickte Elektrolyt erschwert es den Ionen erheblich, sich ordnungsgemäß zu bewegen, weshalb die Batterie nicht vollständig geladen wird. Die meisten industriellen Batteriesysteme verfügen über integrierte Heizelemente oder andere Temperaturregelungen, um dieses Problem zu vermeiden. Aber herkömmliche Verbraucher-Ladegeräte? Diese haben normalerweise keine solchen Sicherheitsvorkehrungen, was erklärt, warum so viele Menschen ihre Batterien beschädigen, ohne es überhaupt zu bemerken.
Feldversuche zeigen, dass temperaturregulierte Gehäuse in arktischen Energieanlagen die Zyklenlebensdauer im Vergleich zu nicht geregelten Systemen um 23 % verlängern.
Das optimale Betriebsspektrum für 48-V-Lithium-Ionen-Batterien liegt bei 20 °C bis 30 °C (68 °F bis 86 °F), wie von Branchenstudien aus dem Jahr 2025 im Bereich der elektrischen Luftfahrt bestätigt. Unterhalb von 15 °C sinkt die nutzbare Kapazität um 20–30 %; eine andauernde Betriebstemperatur über 40 °C beschleunigt die Elektrolytzersetzung im Vergleich zur Raumtemperatur vierfach.
Moderne BMS integrieren verteilte Temperatursensoren und adaptive Algorithmen, um ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Eine Studie aus dem Jahr 2021 mit mehrschichtigen Designs zeigte, dass fortschrittliche BMS durch dynamische Lastverteilung und Modulation der Laderate die thermischen Gradienten innerhalb eines Batteriemoduls um 58 % reduzieren können.
Moderne Ingenieure setzen Phasenwechselmaterialien ein, die bei plötzlichen Hitzespitzen etwa 140 bis 160 Kilojoule pro Kilogramm aufnehmen können, kombiniert mit keramischen Dämmschichten, die Wärme kaum leiten (nur 0,03 Watt pro Meter Kelvin). Die Flüssigkühlplatten sorgen ebenfalls für Abkühlung und stellen sicher, dass die Oberflächentemperaturen selbst während intensiver 2C-Schnellladungen – die letztes Jahr die thermische Stabilitätsprüfung bestanden haben – nicht um mehr als 5 Grad Celsius ansteigen. All diese unterschiedlichen Komponenten arbeiten zusammen, sodass die Batterien unter allen Wetter- und Betriebsbedingungen im Feld zuverlässig gut funktionieren.