Lithium-Ionen-Zellen

Selbstentladung messen

18. März 2022, 17:30 Uhr | Markus Haller
Keysight Technologies
Bild 1: Methoden zur Messung der Selbstentladung
© Keysight Technologies

Die Selbstentladung einer Batteriezelle ist ein wichtiger Kennwert, der bereits dem Zellfertiger als Qualitätskriterium dient. Bestimmen lässt sie sich über zwei Methoden, wobei die einfachere nicht unbedingt die bessere sein muss.

Von Ed Brorein,  Keysight Technologies

Die Selbstentladung einer Batteriezelle beschreibt den Ladungsverlust im Laufe der Zeit, während die Zelle mit keiner Last verbunden ist. Ein gewisses Maß an Selbstentladung ist normal. Eine übermäßige Selbstentladung ist jedoch ein Anzeichen für grundlegende Probleme innerhalb der Zelle, die zu einem Totalausfall führen können. Die Selbstentladung wird daher schon bei der Zellherstellung ermittelt.

Zwei Messverfahren

Es gibt im Wesentlichen zwei Methoden zur Messung der Selbstentladung (Bild 1). Die erste ist die traditionelle Delta-OCV-Methode (Open Circuit Voltage, Leerlaufspannung). Hier wird die Abnahme der Leerlaufspannung (als Indikator für die Selbstentladung) gemessen, was in der Regel Tage bis Wochen dauert. Diese Methode ist einfach zu implementieren, erfordert allerdings auch eine lange Messzeit.

Die zweite Möglichkeit ist die potenziostatische Methode. Hier wird die Zelle über eine stabile externe Gleichstromquelle auf einem konstanten Ladezustand (State of Charge, SoC) gehalten. Zu Beginn stammt der gesamte Selbstentladungsstrom von der Zelle selbst. Nach einer mehrstündigen Einschwingphase wird der gesamte Selbstentladungsstrom von der externen Gleichstromquelle geliefert, was direkt gemessen werden kann. Die potenziostatische Methode ist zwar komplexer in der Durchführung, liefert aber in viel kürzerer Zeit ein Ergebnis.

Ordnungsgemäß durchgeführt, liefern beide Methoden aussagekräftige und vergleichbare Ergebnisse. Wenn man versteht, wie diese Messmethoden funktionieren, wovon die Testzeit abhängt und wie verschiedene Faktoren sie beeinflussen, kann man unabhängig von der gewählten Methode aussagekräftige und konsistente Ergebnisse erzielen.

Keysight Technologies
Bild 2: Der Serienwiderstand RSD im Ersatzschaltbild für die Delta-OCV-Methode liegt bei einigen 10 kΩ und verlangsamt die Selbstentladung.
© Keysight Technologies

Einflussfaktoren auf die Testzeit

Die Delta-OCV-Methode beruht auf der Messung einer sehr kleinen Spannungsänderung über die Zeit (Bild 2). Die Leerlaufspannung der Zelle wirkt dabei wie ein sehr großer Gleichspannungs-Offset, sodass auf dem Digitalmultimeter der große 10-Volt-Messbereich gewählt werden muss. Die OCV-Abnahme der Zelle wird durch die parallele Verbindung der effektiven Kapazität der Zelle CEFF und ihrer internen Selbstentladung bestimmt, die als Widerstand RSD modelliert wird.

Für dieses Beispiel wurde eine Reihe von zylindrischen 18650-NMC-Zellen mit 2,4 Ah getestet. Der CEFF-Wert lag in der Größenordnung von 10.000 F und der RSD-Wert in der Größenordnung von einigen 10 kΩ, sodass die Leerlaufspannung extrem langsam sinkt. Die Mehrzahl der Zellen wies über einen Zeitraum von zehn Tagen einen Spannungsabfall durch Selbstentladung von 1 mV oder weniger auf. Eine kleine Anzahl von Ausreißern mit hoher Selbstentladung zeigte Spannungsabfälle im Bereich von 2 mV oder mehr (Bild 2). Um einen ausreichenden Spannungsabfall mit akzeptabler Unsicherheit und Fehlern zu erzielen, waren wenigstens zehn Tage erforderlich – unter anderem wegen der folgenden Unsicherheitsfaktoren:

  • Genauigkeit des Digitalvoltmeters im 10-Volt-Messbereich
  • Temperaturkoeffizient der Spannung für die Zellen-Leerlaufspannung (Temperature Coefficient of Voltage, TCV)
  • Thermische EMF-Fehler, die durch elektrische Kontakte entstehen
  • Temperaturkoeffizient des Digitalvoltmeters im 10-Volt-Bereich
  • Unterschiede in der Umgebungstemperatur zwischen der ersten und der letzten Messung der Leerlaufspannung

Bei der traditionellen Delta-OCV-Methode können bis zu zwei Wochen für ein gültiges Ergebnis erforderlich sein, je nachdem, wie gut diese Faktoren kontrolliert werden können. Die Vorteile sind die Einfachheit und die Möglichkeit, die optimale Testzeit so zu wählen, dass ein ausreichender Abfall der Leerlaufspannung für ein akzeptables Unsicherheits- und Fehlerniveau erzielt wird. Die beiden größten Nachteile der Methode sind die lange Testzeit und der Aufwand zum Lagern der Zellen. Es muss Platz in der Fabrik geschaffen werden, und die Gefahren, die mit der Lagerung großer Mengen von Zellen verbunden sind, müssen berücksichtigt werden.

Keysight Technologies
Bild 3: Bei der potenziostatischen Methode ist RSD ≤ 1 Ω, sodass die Selbstentladung nach deutlich kürzerer Zeit bestimmt werden kann.
© Keysight Technologies

Bei der potenziostatischen Methode (Bild 3) wird die Zelle im Wesentlichen durch die externe Gleichstromquelle kurzgeschlossen. Sie wird vor dem Anschluss genau auf den Leerlaufspannungswert der Zelle eingestellt. Die Einschwingzeit der Messung hängt von der Parallelschaltung aus der effektiven Kapazität der Zelle CEFF und dem Serienwiderstand RSD ab (Bild 3, rechts). In der Praxis liegt RS in der Größenordnung von einem Ohm oder kleiner. Das ist um Größenordnungen kleiner als der Selbstentladungswiderstand der Zelle, RSD, sodass die Reaktionszeit der potenziostatischen Methoden deutlich schneller als die der Delta-OCV-Methode ist. Für dieselbe Gruppe von 18650-Zellen mit 2,4 Ah, die in diesem Beispiel getestet wurden, dauerte es etwa zwei Stunden, bis sich die Messung vollständig eingependelt hatte (Bild 3, links). Die meisten Zellen hatte eine Selbstentladung von 8 µA oder weniger, und eine kleine Anzahl von Ausreißern lag bei über 16 µA. Zellen mit hoher Selbstentladung lassen sich meist schon lange vor dem vollständigen Einschwingen erkennen. Die wichtigsten Faktoren für die Messunsicherheit bei der potenziostatischen Methode sind:

  • Temperaturkoeffizient der Spannung in der Zelle (TCV)
  • Stabilität der potenziostatischen Gleichstromquelle
  • Temperaturkoeffizient der potenziostatischen Gleichstromquelle
  • Thermische Netto-EMF-Veränderungen
  • Veränderungen der Umgebungstemperatur während des Testzeitraums

Der Hauptvorteil der potenziostatischen Methode ist die kurze Testzeit von meist nur ein paar Stunden. Außerdem muss bei der Messung des Entladestroms kein großer Offset berücksichtigt werden, sodass ein kleinerer und präziserer Messbereich gewählt werden kann. Ohne großen Offset lassen sich auch Zellen mit hoher Selbstentladung schneller vom Rest unterscheiden. Letztlich kann auch der Serienwiderstand bei der potenziostatischen Methode so eingestellt werden, dass ein optimales Gleichgewicht zwischen der Reaktionszeit der Messung und der Empfindlichkeit gegenüber den angegebenen Faktoren erreicht wird. Die Nachteile der potenziostatischen Methode:

  • Insgesamt handelt es sich um einen relativ komplexen Aufbau im Vergleich zur Delta-OCV-Methode.
  • Die externe Gleichstromquelle muss sehr stabil sein und darf in der Regel über den gesamten Testzeitraum nur um wenige Mikrovolt driften.
  • Die externe Gleichstromquelle muss außerdem einen extrem niedrigen Temperaturkoeffizienten haben.
  • Die Methode reagiert empfindlich auf den TCV-Wert der Zelle, der je nach Ladezustand (SoC) der Zelle recht hoch sein kann.

Der letzte Punkt erfordert eine sehr strenge Temperaturkontrolle der Zelle während des Testzeitraums, typischerweise auf ein paar Zehntel Grad Celsius oder weniger.

Aufgrund der kurzen Testzeit sind hier aber kombinierte passive Maßnahmen aus Isolierung, thermischer Masse und Blockieren von Luftströmen ausreichend. Anspruchsvoller ist allerdings die benötigte Messtechnik: Die nötige Genauigkeit der potenziostatischen Gleichstromquelle im Mikrovoltbereich lässt sich nur mit spezialisierter Messtechnik und individuellen Aufbauten erreichen.


  1. Selbstentladung messen
  2. Zelle muss im Ladungsgleichgewicht sein

Verwandte Artikel

Keysight Technologies