Batterien ABC - batteryuniversity.eu
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1 BATTERIEN--ABC BATTERIEN Batterien-ABC 2 ____________________________________________________________________ Akkumulator (Akku) kann elektrische Energie durch Umwandlung in chemische Energie speichern und diese durch Rückumwandlung wieder abgeben elektrische Energie Laden Entladen chemische Energie Funktionsprinzip jeder wiederaufladbaren Zelle oder Batterie Aktivmaterialien Materialien in den Elektroden, in denen die chemischen Stoffänderungsprozesse (Energiespeicherung/ -abgabe) stattfinden durch Wahl werden Spannung, Kapazität, Leistung, Zyklenzahl, Sicherheit und Kosten festgelegt Bsp.: Graphit, Titanat, Manganoxid, Eisenphosphat... Ampere [A] Einheit des Stromes Batterien-ABC 3 ____________________________________________________________________ Batterie bedeutet eine oder mehrere Zellen, die mit Hilfe permanenter Mittel elektrisch verbunden sind, einschließlich Gehäuse, Kathode Anschlüsse und Kennzeichnungen eine einzelne Zelle besteht aus Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt Entladen e- eAnode Separator Batterie-Management-System (BMS) elektronische Steuerung, die den Zustand der Batterie überwacht und regelt „intelligente Batterie” Standardfunktionen: - Zellschutz - Lade-/Entladekontrolle - Temperaturüberwachung - „gas gauching“ (Bestimmung des Ladezustandes) - „cell balancing“ (Ausgleich der Ladezustände) Batterien-ABC 4 ____________________________________________________________________ C-Rate [A] normierter Lade- oder Entladestrom in Ampere hierunter versteht man die angegebene Nennkapazität geteilt durch eine Stunde Bsp.: Nennkapazität einer Batterie = 3,5 Ah 1C-Rate = 3,5 A 0,2C-Rate = 0,7 A 10C-Rate = 35 A Kathode Ableiter Anode Elektrode besteht aus Aktivmaterial und Ableiter Bsp. Anode: Graphit und Kupferfolie Elektrolytflüssigkeit Separator Elektrolyt flüssiges (oder gelartiges Medium), das den Transport der Ionen (elektrisch geladene Teilchen) zwischen Anode und Kathode gewährleistet Ladungsausgleich! Batterien-ABC 5 ____________________________________________________________________ Energiedichte Verhältnis der verfügbaren Energie der Batterie zu ihrem Volumen (Wh/L) oder Gewicht (Wh/kg) Entladeschlussspannung Spannung, bei der die Zelle oder Batterie vollständig entladen ist Entladeschlussspannung darf nicht unterschritten werden, sonst wird Zelle oder Batterie dauerhaft geschädigt Tiefentladung Kapazitätsverlust Bsp.: Li-Ionen-Zelle = 3,0 V Knopfzellen bedeutet eine runde, kleine Zelle, deren Gesamthöhe kleiner als ihr Durchmesser ist Einsatz vorwiegend in Kleinstgeräten (z.B. Uhren) Batterien-ABC 6 ____________________________________________________________________ Kurzschluss nahezu widerstandslose Verbindung der beiden Pole einer elektrischen Spannungsquelle (Anode und Kathode) hoher Kurzschlussstrom Erhitzung der Zelle/Batterie Gasbildung Zersetzung und Verdampfung der Elektrolytflüssigkeit Zersetzung des Kathodenaktivmaterials zusätzliche Wärmeentwicklung und Freisetzung von Sauerstoff ausgestoßenes Gas kann sich an den heißen Verbindernentzünden Feuer!!! VIDEO1 Batterien-ABC 7 ____________________________________________________________________ Ladeschlussspannung Spannung, bei der die Zelle oder Batterie vollständig geladen ist Ladeschlussspannung darf nicht überschritten werden, sonst wird Zelle oder Batterie dauerhaft Batterie dauerhaft geschädigt Überladung Kapazitätsverlust und Sicherheitsgefährdung!! Bsp.: Li-Ionen-Zelle = 4,2 V Memory-Effekt Zelle stellt nach mehreren Teilentladung nur noch Bruchteil der ursprünglichen Kapazität zur Verfügung Teilentladungsstufe wird von der Zelle „im Gedächtnis gespeichert” ( memory) Spannung bricht früher unter die Entladeschlusspannung Entladung stoppt, obwohl noch Kapazität vorhanden ist Nennenergie [Wh] die Energie in Wattstunden, die eine Zelle oder Batterie unter definierten Bedingungen abgeben kann Nennkapazität [Ah] multipliziert mit Nennspannung [V] ergibt Energiegehalt [Wh] Bsp.: 1500 mAh (1,5 Ah) x 3,6 V = 5,4 Wh Batterien-ABC 8 ____________________________________________________________________ Nennkapazität [Ah] gespeicherte Elektrizitätsmenge (Strommenge mal Zeit) einer vollständig geladenen Zelle oder Batterie, die beim Entladen unter definierten Bedingungen entnommen werden kann Bsp.: Eine Batterie mit 1500 mAh kann eine Stunde lang einen Strom der Stärke 1500 mA abgeben Nennspannung [V] charakteristische Betriebsspannung einer Zelle oder Batterie Bsp.: NiCd-Zelle = 1,2 V; NiMH-Zelle = 1,2 V; Blei-Zelle = 2,0 V; Li-Ionen-Zelle = 3,6 V Nutzungsdauer verwendbarer Zeitrahmen einer Zelle oder Batterie abhängig von kalendarischer Lebensdauer und Zyklenzahl Hersteller definieren im Allgemeinen die Nutzungsdauer bis zu dem Wert, an dem nur noch 60 % der ursprünglichen Nennkapazität vorhanden ist Verwendung in Second-life-Batterien? Batterien-ABC 9 ____________________________________________________________________ Parallelschaltung Zusammenschaltung gleichnamiger Pole mehrerer Zellen erhöht die Kapazität der Batterie (Spannung bleibt gleich) erhöht den maximalen Entladestrom + gleichnamige Pole sind miteinander verbunden Zelle A: Kapazität = 1,5 Ah Entladestrom = 1C (= 1,5 A) Zelle B: Kapazität = 1,5 Ah Entladestrom = 1C Batterie Kapazität = 3,0 Ah Entladestrom = 1C (= 3,0 A) Verdoppelung der Kapazität (= Verdoppelung der Wassermenge) der zweifache Entladestrom (= Wassermenge) kann fließen Spannung (Höhenunterschied) bleibt gleich Batterien-ABC 10 ____________________________________________________________________ „Polymerzelle“ („Pouchzelle“, „Coffee-Bag“) Elektrolytlösung vollständig in Polymer (fest oder gelartig) absorbiert kein Metallgehäuse aluminisierte Kunststofffolie sehr leicht effizienteste Lösung, um vorhandenen Platz zu nutzen größte theoretische gravimetrische Energiedichte (Wh/kg) schlag-/stoß-/kratzanfällig Primärbatterie nicht-wiederaufladbare Batterie Bsp.: Li-Metall-Batterie, Alkali-Mangan-Batterie Batterien-ABC 11 ____________________________________________________________________ Prismatische Zelle dünne Batterieform geringfügig kleinere Energiedichten und höhere Produktionskosten als zylindrische Zellen Ruhespannung („open circuit voltage”, OCV) OCV [V] Potentialdifferenz (= Spannung) zwischen den Anschlüssen einer Zelle oder Batterie bei geöffnetem Schaltkreis (unbelasteter Zustand) Potentialdifferenz ist abhängig vom Ladezustand („state of charge”, SOC) SOC [%] Batterien-ABC 12 ____________________________________________________________________ SEI („solid-electrolyte interface”) 60 58 56 Impedance (mΩ) Grenzflächenschicht negative Elektrode/Elektrolyt besteht aus Zersetzungsprodukten des Elektrolyten Passivierung der Oberfläche Schutz wächst mit Alterung (kalendarische Lebensdauer und Zyklenzahl) erhöht den Innenwiderstand 54 52 50 48 46 44 42 40 0 100 200 300 400 500 Cycle Number (cycles) Charge Impedance Discharge Impedance Sekundärbatterie wiederaufladbare Batterie Bsp.: Bleibatterie, NiCd-Batterie, NiMH-Batterie, Li-Ionen-Batterie Selbstentladung langsames Entladen, ohne dass ein äußerer elektrischer Verbraucher eingeschaltet ist Verlust von nutzbarer Kapazität auf Grund ständigem chemischen Reaktionsablauf ( an Elektroden Leckstrom) Batterien-ABC 13 ____________________________________________________________________ Separator elektrolytdurchlässige Trennvorrichtung mit dem die Elektroden vor gegenseitiger Berührung geschützt werden Vermeidung von Kurzschluss besteht aus porösem, nicht-leitendem Material (z.B. Kunststoff) REM-Aufnahme PE-Separator: hochporös (40-50 %) „shut down“ (130 °C, PP 160 °C) Innenwiderstand der Zelle steigt um mind. Faktor 1000 Stromfluss wird minimiert Innenwiderstand [Ωcm2] 104 Shut Down-Funktion 103 102 PP 101 100 10-1 PE 10-2 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Temperatur [°C] Batterien-ABC 14 ____________________________________________________________________ Serielle Schaltung (Reihenschaltung) Zusammenschaltung ungleichnamiger Pole mehrerer Zellen erhöht die Spannung (Kapazität bleibt gleich) + + - ungleichnamige Pole werden miteinander verbunden Zelle A: Spannung = 3,6 V Zelle B: Spannung = 3,6 V Akkupack Spannung = 7,2 V Verdoppelung der Spannung (= Verdoppelung der Höhendifferenz) Batterien-ABC 15 ____________________________________________________________________ Sicherheitsventil integrierter Öffnungsmechanismus (= vordefinierte Sollbruchstelle), der im Fehlerfall zum Ablassen des internen Drucks aktiviert wird Strom [A] beim Laden oder Entladen wird Gleichstrom zugeführt oder entnommen die Höhe des Stroms wird beim Laden durch das Ladegerät, beim Entladen durch den Verbraucher bestimmt TCO („temperature cut off”) Abschalttemperatur sicherndes Bauteil, dass die Temperatur der Batterie aufnimmt und den elektrischen Stromkreis öffnet oder begrenzt, sobald eine bestimmte Temperatur überschritten ist Tiefentladung Entladevorgang, bei dem die Entladesspannung unterschritten wurde (= zulässige Kapazitätsentnahme überschritten) führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust Verhinderung durch BMS Batterien-ABC 16 ____________________________________________________________________ Überladung Ladevorgang, bei dem die Ladeschlussspannung überschritten wurde Zerfall der Kathodenaktivmaterialien ( exothermer Prozess) “Lithium-Plating” sicherheitskritisch!!! Verhinderung durch BMS Bsp. Li-Ionen-Zelle: Zerfall der Kristallstruktur des Kathodenaktivmaterials führt zu einem “Thermal Runaway” Volt [V] Einheit der Spannung Watt [W] Einheit der elektrischen Leistung (P) je höher die Spannung (U) und je höher der fließende Strom (I), desto höher die elektrische Leistung (P) P=UxI Batterien-ABC 17 ____________________________________________________________________ Zelle bedeutet eine einzelne, ummantelte elektrochemische Einheit (Anode und Kathode), die zwischen ihren Polen eine Spannungsdifferenz aufweist wichtigster Bestandteil einer Batterie Kapazität abhängig von der Zellgröße und eingesetzten Aktivmaterialien Spannung abhängig von eingesetzten Aktivmaterialien Zyklus vollständige Entladung einer vollgeladenen Zelle oder Batterie mit nachfolgender vollständiger Ladung Lebensdauer einer Zelle oder Batterie wird meistens in Anzahl der Zyklen angegeben Zylindrische Zelle die am weitesten verbreitete Ausführungsform einfach zu produzieren, mechanisch sehr stabil Bsp.: „18650” „26650” 18 mm Durchmesser und 65,0 mm Höhe 26 mm Durchmesser und 65,0 mm Höhe
