1 Fehler bei Zellen und Batterien und ihre Auswirkungen

22. 1. 2012 / Heinz Wenzl
Fehler bei Zellen und Batterien und ihre Auswirkungen
Zellfehler:
1. Andere Kapazität
Im Normalfall durch Alterungsprozesse verursachte Kapazitätsminderung. Die
Elektroden altern unterschiedlich, so dass auch die Kapazitätsabnahme einer Elektrode
alleine betrachtet werden muss.
2. Höherer Innenwiderstand
Es sind Widerstanderhöhungen möglich, die keinen direkten Einfluss auf die
Stromdichteverteilung auf den Elektroden haben, z.B. Korrosion von Polen. Das
elektrochemische System wird durch die Wärmeerzeugung im Bereich des erhöhten
Widerstands nur indirekt beeinträchtigt. Im Normalfall ist der höhere Innenwiderstand
aber die Konsequenz von
- Verlust von aktivem Material bzw. verfügbarem, elektrisch kontaktiertem aktivem
Material bzw. Änderungen der Mikrostruktur der aktivem Masse (Oberfläche, Verlust
an Elektronenleitfähigkeit oder
- Korrosionsangriffen der Polbrücke und der Stromkollektoren, sowie Zunahme des
Elektrolytwiderstands (z.B. Verlust an Lösungsmitteln),
die beide zu einer Änderung der Stromdichteverteilung auf den Elektroden haben und
damit elektrochemisch relevant sind. Besonders gravierend sind
Innenwiderstandserhöhungen, die die Ladungsträgerdurchtrittsüberspannung betreffen
(Verringerung der Oberfläche und der zur Verfügung stehenden Reaktanden). Für die
Elektrodenreaktion ist nur die Potentiallage gegenüber dem Elektrolyten relevant.
Selbst bei einem sehr hohen Elektrolytwiderstand wird die Potentiallage der
Elektroden gegen den Elektrolyten nur marginal verschoben.
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4. Vollständige Zerstörung des Strompfades in der Zelle durch Korrosion.
Zerstörung der Polbrücken und Pole.
5. Dendritenbildung oder andere Kurzschlüsse zwischen den Elektroden
Zu unterschieden ist zwischen hochohmigen und niederohmigen Kurzschlüssen. Wenn
der interne Kurzschluss dazu führt, dass dadurch die Zelle
- nicht mehr vollständig geladen werden kann (der nach Abzug des Stroms über den
Kurzschluss verbleibende Ladestrom reicht nicht mehr aus, die Selbstentladung der
Elektrode zu kompensieren und sie vollgeladen zu halten) oder
- erwärmt wird
dann sollte von einem niederohmigen Kurzschluss gesprochen werden.
6. Änderung der Selbstentladerate oder anderer Nebenreaktionen
Im Normalfall nimmt die Selbstentladerate zu (Verringerung des BV-Widerstands für
diese Reaktion). Bei sehr starker Zunahme wird die in der betroffenen Elektrode
gespeicherte Energie schnell und vollständig in Wärme verwandelt, was die
Reaktionen weiter beschleunigt (thermische Selbstzerstörung).
Zellen werden so gebaut, dass sie so niederohmig wie möglich sind. Eine Verringerung des
Innenwiderstands ohne Dendritenbildung oder andere Kurzschlüsse ist nur eine theoretische
Fehlermöglichkeit.
Ein Verlust an Kapazität und eine Zunahme des Innenwiderstands sind oft, aber nicht
zwangsläufig miteinander gekoppelt, so dass immer zwischen diesen Fehlern unterschieden
werden muss.
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Eine erhöhte Temperatur durch einen der obigen Zellfehler ist kein separat zu behandelnder
Zellfehler.
Fehler wie Undichtigkeiten des Gefäßes, insbesondere an den Poldurchführungen, etc. werden
nicht weiter betrachtet.
Batterien
Die obigen Zellfehler wirken sich bzgl. Entladung und Ladung unterschiedlich aus, wobei es
auf die Zahl der in Reihe geschalteten Zellen, sowie die Zahl der parallel geschalteten Stränge
ankommt, sowie auf die Art der Ladung (Vorgabe einer Spannung oder eines Stroms) und ggf.
der Verschaltung von parallelen Strängen untereinander.
Besondere Batteriefehler sind:
1. Verschlechterung des Übergangswiderstands und Korrosion zwischen Polen und
Verbindern
2. Korrosion von Verbindern
3. Absinken des Isolationswiderstands der Batterie
Ungünstige Aufstellungsbedingungen und Konstruktion (zu geringe Kabelquerschnitte,
Temperaturunterschiede wegen externer Wärmequellen und unterschiedlicher
Wärmeabfuhrbedingungen) sowie fehlerhafte Einstellungen der Ladegeräte und
Überwachungen (falsche Kennlinie, fehlerhafte Strom- und Spannungsmessung,
Ladezustandsgrenzen) sind keine, sich langsam entwickelnden Fehler und werden nicht
behandelt.
Fokus hier sind die Auswirkungen eines Zellfehlers auf die anderen Zellen.
Erläuterungen zu den Folien
Folie 2 -4: Entladen im Zellverbund bei geringer Kapazität und erhöhtem Widerstand. Folie 3
zeigt die Messung einer Telekommunikationsbatterie
Überentladung
Es ist ohne Messung mittels einer Referenzelektrode (Spannung einer Elektrode gegen den
Elektrolyten) nicht möglich, genau zu wissen, an welcher Elektrode ein Fehler auftritt. Bei
Bleibatterien ist die Überentladereaktion einer Elektrode identisch mit der Ladereaktion der
anderen, so dass die Zelle ungefähr Null Volt hat. Wenn die Überentladereaktion sich von den
normalerweise ablaufenden Reaktionen charakteristisch (andere Spannungslage)
unterscheidet, dann ist denkbar, dass die defekte Zelle eine charakteristische Spannungslage
bekommt, die davon abhängt, welche Zelle versagt hat.
Folie 5 – 7: Beim Laden ist zu beachten, dass unter normalen Betriebsbedingungen die
schwache Zelle einen unterschiedlichen Ladezustand hat, der über die Nutzungsdauer
kumuliert ist. Nur wenn die schwache Zelle durch langen Betrieb im Ladeerhaltungsbetrieb
auch vollgeladen wurde, kann von der gleichen Menge an entladenem Material gesprochen
werden und gleichem Ladezustand (bei Bezug der Ladezustandsberechnung auf die
Nennkapazität!).
Folie 8: Zusammenfassung und Übertragung auf viele Zellen
Folie 9: Entladung einer USV-Batterie (4 Blöcke, zwei davon gut, die anderen zwei sehr
hochohmig). Die hochohmigen Blöcke werden massiv umgepolt!
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Folie 10: Übersicht über alle relevanten Reaktionen bei Bleibatterien, Ähnliche Übersichten
gibt es auch für NiCd-Batterien, bei allen anderen sind die jeweiligen Reaktionen undefiniert
und zerstörerisch.
Folie 11: Redox-Shuttle: Erzeugung von Nebenreaktionen in Lithium-Batterien, um das
System etwas fehlertoleranter zu machen. Auch bei anderen Batterien wird mit Zusätzen und
Additiven gearbeitet, um ihr Verhalten zu verbessern.
Elektronische Schutzmechanismen:
• Einzelzellenspannungsüberwachung jeder Zelle oder eines Blocks
Abregeln bzw. Abschalten des Ladegeräts, wenn eine Zelle die Maximalspannung
erreicht hat. Diese Zelle begrenzt somit die Ladung aller anderen.
Abschalten der Last, wenn eine Zelle die Mindestspannung erreicht hat. Diese Zelle
begrenzt die Kapazitätsentnahme für alle anderen Zellen.
Die Kapazität der Zellen in Reihe kann somit nicht vollständig genutzt werden.
• Einzelzellenladung
Jede Zelle oder bei parallelen Strängen die äquivalenten, auf gleicher Zelle liegenden
Zellen werden durch ein eigenes Ladegerät geladen. In der Konstantspannungsphase
des Ladegeräts nimmt sich jede Zelle den "richtigen" Strom und wird vollgeladen.
• Ladungsausgleichssysteme:
Zellen mit höherer Spannung werden entladen und damit werden Zellen mit niedriger
Spannung geladen. Wegen der geringen Spannungsunterschiede vor allem
Anwendung auf Blockbasis, bei der Spannungsunterschiede leichter ausgeglichen
werden können. Dramatische Lebensdauerverlängerung bei Bleibatterien
nachgewiesen.
• Zuschalten eines Entladewiderstands über Zellen mit hoher Spannung, so dass deren
Spannung sinkt, und das Ladegerät weiter laden kann ohne die Zelle mit hoher
Spannung (bereits vollgeladen) überlädt.
Zusätzlich werden Zellen intern geschützt, z.B. mit Sicherungen oder temperaturabhängigen
Widerständen.
Folie 12 – 14: Parallelschaltung von Strängen: Abwägung zwischen Fehlertoleranz und
Zunahme von Teilen, die versagen können. Kühlung ist ggf. einfacher, weil das Verhältnis
von Oberfläche zu Kapazität bei kleinen Zellen höher ist.
Folie 15 .- 17: Unzulässiger Strompfad. Isolationswiderstand ist deshalb von Bedeutung, weil
es zwischen der Poldurchführung der Zelle oder dem Spannungsmessabgriff und Erde einen
Strompfad geben kann (z.B. Verschmutzung, Korrosion).
Folie 18 – 22: Kurzschluss in der Zelle. Die Auswirkungen auf die anderen Zellen sind im
Wesentlichen von der Ladekennlinie(Konstantstrom oder Konstantspannung) abhängig.
Folie 23: Spezialfall einer Elektrolytverbindung zwischen benachbarten Zellen. Die Strom
und Spannungsverhältnisse werden unübersichtlich.
Folie 24 und 25: Korrosion eines Interzellverbinders als Konsequenz eines
Elektrolytkurzschlusses. Häufige Ursache für die Explosion von Bleibatterien.
Folie 26 – 28: Auswirkungen von Temperaturen
Folie 29: Übersicht mit einigen Fallunterscheidungen
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