Impedanzspektroskopie mi dem Meßgerät der Fa

21. 10. 2012 / Heinz Wenzl
Übersicht über Begriffe
•
•
•
•
•
•
•
•
Oberbegriff: Galvanische Elemente
Primärzellen:
Nichtwiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher
Sekundärzellen/Akkumulatoren:
Wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher
Zelle:
Die Zelle ist die kleinste elektrochemische Einheit, die technisch genutzt werden kann;
Für elektrochemische Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten werden auch
"Halbzellen" verwendet, bei denen jedoch immer eine Gegenelektrode verwendet werden
muss, die so groß ist, dass sie sich bei der Untersuchung der Halbzelle nicht in ihrem
Verhalten verändert. Es ist nicht möglich, eine Elektrode alleine ohne eine
Gegenelektrode zu untersuchen.
Block / Modul:
Mehrere miteinander verschaltete Zellen als kleinste Produktions- oder Produkteinheit.
Bei mehreren Zellen in einem Gehäuse wird von Block gesprochen.
Batterie:
Gruppe von Zellen, Blöcken oder Modulen: Eine Batterie hat im Normalfall in Reihe
geschaltete Zellen bzw. Blöcke oder Module, damit ausreichend hohe Spannungen
erreicht werden (Strang). In manchen Anwendungen werden Zellen zusätzlich auch
parallel geschaltet (parallele Stränge). Insbesondere bei Lithium-Batterien werden
Module oder Batteriepacks oft aus mehreren Strängen gebaut, die jeweils aus mehreren,
in Reihe geschalteten Zellen bestehen. Die Bezeichnung 4s2p bezeichnet eine Batterie mit
zwei Strängen (parallel) mit vier in Reihe (series) geschalteten Zellen.
Batterie oder Batteriesystem:
Kompletteinheit mit allen, für den sicheren und zuverlässigen Betrieb erforderlichen
Zusatzkomponenten (Gehäuse, Heiz- und/oder Kühlsystem, Batteriemanagementsystem,
Sicherungen, usw.)
Das Ladegerät zum Wiederaufladen der Batterie wird oft nicht als Bestandteil eines
Batteriesystems betrachtet. Bei mobilen bzw. portablen Batteriesystemen, bei denen das
Ladegerät fester Bestandteil des Batteriesystems ist. kann es bei Vergleichen mit nichtelektrochemischen Systemen zu fehlerhaften Aussagen kommen, wenn das Ladegerät
bzgl. Gewicht und Volumen nicht berücksichtigt wird.
Spezifisches Energie (Wh/kg) und spezifische Leistung (W/kg)
Es ist sorgfältig zu beachten, worauf sich das Gewicht bezieht. Auf eine Zelle, ein Modul
oder das komplette Batteriesystem mit allen, für den Betrieb verwendeten Komponenten,
ggf. inklusive Ladegerät. Die gravierenden Unterschiede bei veröffentlichten Werten für
das gleiche elektrochemische System sind oft darauf zurückzuführen.
Weiter ist zu beachten, wie der Energieinhalt (die an eine externe Last abgegebene
Energiemenge während der Entladung) definiert ist. Generell nimmt der Energieinhalt zu,
wenn die Batterie langsam entladen wird. Außerdem kann in vielen Anwendungen der
Energieinhalt nicht vollständig genutzt werden, weil es sonst Nutzungs- oder
Lebensdauereinschränkungen gibt. Es kann sinnvoll sein, auch diesen Aspekt im Begriff
spezifische Energie bzw. Leistung zu berücksichtigen.
Bei der spezifischen Leistung sind die Rahmenbedingungen der Leistungsmessung zu
beachten (Dauer, Zustand der Batterie, Lade- oder Entladerichtung, etc.)
Theoretische spezifische Energie:
Dr. Heinz Wenzl
Am Bergwäldchen 27, D-37520 Osterode; Tel: +49 5522 919170, Mail: [email protected]
1
•
•
•
•
•
•
•
Durch die chemische Reaktion freigesetzte Gesamtenergie (Umwandlung des gesamten
Materials, ohne irgendwelche Verluste und ohne irgendwelche Zusatzkomponenten, wie
Stromableiter, etc.)
Der Begriff theoretische spezifische Leistung ist sinnlos.
Energiedichte (Wh/l) oder Leistungsdichte (W/l)
Die Anmerkungen zur spezifischen Energie und Leistung gelten auch hier. Die Begriffe
theoretische Energiedichte bzw. Leistungsdichte sind sinnlos.
Ragone-Diagramm und Überbrückungszeit:
Das Verhältnis von spezifischer Energie (kWh) und spezifischer Leistung (kW) hat die
Einheit Zeit [h] und beschreibt die Überbrückungszeit der Batterie, die Zeit, die eine
Batterie Energie zur Verfügung stellen kann.
Eine Darstellung der spezifischen Energie auf einer Achse und spezifischer Leistung auf
der anderen (manchmal auch energie- und Leistungsdichte) heißt Ragone-Diagramm und
hat ein, für alle Batterien charakteristisches Bild: Je langsamer eine Batterie entladen wird
(je geringer die entnommene Leistung), desto höher ist die aus der Batterie entnehmbare
Energiemenge.
Positive und negative Elektrode:
Bestandteile der Zelle, an denen die gebundene chemische Energie freigesetzt wird und
die eigentlichen Reaktionen stattfinden.
Positive Elektrode:
Kathode beim Entladen (beim Laden Anode)
Negative Elektrode: Anode beim Entladen (beim Laden Kathode)
Um bei der Verwendung der Begriffe Kathode und Anode nicht immer die Stromrichtung
angeben zu müssen, wird die begriffliche Zuordnung für die Entladerichtung festgelegt,
bzw. es wird von positiver und negativer Elektrode gesprochen.
Referenzelektrode:
Da immer nur die Spannung zwischen den Polen (Anschlüsse an die positive und negative
Elektrode) einer Zelle gemessen werden kann, werden für detailliertere Untersuchungen
Referenzelektroden eingesetzt. Diese haben gegenüber dem Elektrolyten eine feste
Spannungslage, die sich während des Betriebs einer Zelle im Idealfall nicht verändert,
und auch keine Rückwirkungen auf die Elektroden der Zelle haben.
Aktive Masse:
Material, das bei der elektrochemischen Reaktion vom geladenen in den entladenen
(Entladung) bzw. vom entladenen in den geladenen Zustand (Ladung) umgewandelt wird.
PAM: Aktive Masse der positiven Elektrode;
NAM: Aktive Masse der negativen Elektrode
Elektrolyt:
Ionenleitendes und für Elektronen nicht leitendes Material (Flüssigkeit, Festkörper, in Gel
oder Vlies gebundene Flüssigkeit) zwischen den Elektroden;
Der Elektrolyt ist eine Säure, eine Lauge oder ein, in einem Lösungsmittel gelöstes Salz;
Separator:
Hoch poröses Material, das mit Elektrolyt getränkt ist, um Ionen leitfähig zu sein. Der
Separator verhindert, dass sich die Elektroden berühren können. Die Berührung der
positiven und negativen Elektrode innerhalb einer Zelle führt zu teilweise heftigen
Reaktionen (Brandentstehungsgefahr, etc.).
Auf einen Separator kann nur verzichtet werden, wenn der Elektrolyt eine entsprechende
Festigkeit bzw. Struktur hat. Bei Batterien kann üblicherweise nie auf einen Separator
verzichtet werden, bei Brennstoffzellen hat der Elektrolyt in seiner Struktur bereits die
ausreichenden mechanischen Eigenschaften und wirkt gleichzeitig als Separator.
Dr. Heinz Wenzl
Am Bergwäldchen 27, D-37520 Osterode; Tel: +49 5522 919170, Mail: [email protected]
2
•
•
•
•
•
•
•
Kapazität:
Die aus einer Batterie bis zur Entladegrenze (minimal zulässiger Spannungswert)
entnehmbare Strom- oder Ladungsmenge in Amperestunden (Ah);
Die Kapazität eines Kondensators (engl. "Capacitance") ist As/V und muss von der
Kapazität einer Batterie unterschieden werden.
Spezifische Kapazität (Ah/kg)
Zu beachten sind die gleichen Anmerkungen wie bei dem Begriff spezifische Energie.
Die spezifische Kapazität beschreibt den Nutzungsgrad der aktiven Masse, d.h. welcher
Anteil der aktiven Masse bei der Entladung wirklich verwendet wird. Der Begriff
Kapazitätsdichte (Ah/l) wird nicht verwendet.
Die theoretische spezifische Energie ist die, bei vollständiger Ausnutzung der aktiven
Masse ohne Berücksichtigung irgendwelcher anderer Zusatzstoffe und Komponenten aus
den Materialien entnehmbare Ladungsmenge.
Faradaysche Zahl F:
F ist das Verhältnis Mol einer Substanz (6 x 1023 Moleküle, Avogadro-Zahl) zu der Zahl
der Elektronen pro Coulomb (1,6 x1019 Elektronen). Ein Coulomb (= As) wurde von
Faraday elektrochemisch gemessen als die Strommenge, die ein Milligramm Silber aus
einer Silbernitratlösung abgeschieden hat.
Der Wert von F beträgt 95600 As/mol oder 26,5 Ah/mol und ist die zentrale
Umrechnungsgröße zwischen chemischen und elektrotechnischen Größen.
Pro Reaktion werden n Elektronen (ein (z.B. Li), zwei (z.B. Blei) oder drei (Al)) bei der
Entladung freigesetzt. Die theoretische, spezifische Kapazität pro Mol ist somit nF.
Bezogen auf Ah 26.8, 53,6 oder 80,4 Ah/Mol)
Nennspannung:
Spannungswert zur Systembeschreibung. Die tatsächliche Spannung beim Laden und
Entladen liegt im Bereich von ca. +/- 30 % der Nennspannung je nach elektrochemischem
System.
Die Nennspannung entspricht oft der durchschnittlichen Entladespannung bei einer
Entladung mit üblichen Entladeströmen.
Nennstrom IN, Nenntemperatur und Nennkapazität KN (CN) charakterisieren eine
Zelle/Batterie unter festgelegten Bedingungen (Nennbedingungen).
Der Entladestrom wird auf eine bestimmte Kapazität bezogen: I5 (fünfstündiger Strom) ist
der Strom, mit dem in fünf Stunden die fünfstündige Kapazität K5 entnommen werden
kann (I5 = K5/5h).
Es ist notwendig, bei Angabe von Testbedingungen den Entladestrom immer als
Vielfaches des Nennstroms anzugeben, z.B. 4 x I20 statt I5 (Werte sind nicht gleich) bei
einer Batterie, deren Kapazität als K20 angegeben wird, damit nicht die Kapazität als
Basis für die Berechnung des Stroms verändert wird.
Bei Lithium-Ionen-Batterien wird der Strom oft als C-Rate angegeben.
(1C = C/1h, 2 C = C/2h).
Kapazitätsangaben:
K20 (C20) bezeichnet die Amperestundenmenge (Ah), die bei einer 20-stündigen
Entladung der Batterie mit konstantem Strom bis zur Entladeschlussspannung entnommen
werden kann. Die Angaben bzgl. Ah-Menge und Entladeschlussspannung kommen immer
vom Batteriehersteller. Übliche Angaben sind K0,25, K0,5, K1, K3, K5, K10, K20, K100 oder
K240 (abhängig von der Anwendung der Batterie)
Entladestrom
I20 ist der Entladestrom, der 20 Stunden lang konstant aus der Batterie entnommen
werden kann, bis die Entladeschlussspannung erreicht wird. Da man ja diesen Strom nicht
Dr. Heinz Wenzl
Am Bergwäldchen 27, D-37520 Osterode; Tel: +49 5522 919170, Mail: [email protected]
3
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
kennt, ohne die Batterie mehrfach zu entladen, wird der Strom immer aus der
Kapazitätsangabe des Herstellers berechnet durch: I20 = K20/20h.
Berechnung der Kapazität
Die wirkliche Kapazität (Betriebskapazität) der Batterie wird berechnet durch
Entladestrom x Entladezeit.
Begrenzung der Entladung
Um eine Batterie nicht frühzeitig zu schädigen, dürfen viele Batterien nicht regelmäßig
vollständig entladen werden. Die Entladung muss im Betrieb also deutlich vor Erreichen
der Entladeschlussspannung abgebrochen werden (z.B. wenn 80 % (Bleibatterien) oder
90 % (Lithium-Ionen-Batterien für Traktionsanwendungen) der Kapazität entnommen
worden sind).
Tiefentladung: Entladung über die vom Hersteller definierte Grenze (Spannung, ggf. in
Abhängigkeit von der Kapazität; manchmal auch in Abhängigkeit des berechneten
Ladezustands) hinaus.
Überentladung:
Die beim Entladen stattfindende Reaktion wird durch eine andere Reaktion mit anderen
Eigenschaften) ersetzt.
Ladefaktor:
Verhältnis von entnommener zu eingeladener Ladungsmenge
Überladung:
Die beim Laden stattfindende Reaktion, die zur Speicherung von Energie führt
(Hauptreaktion), wird durch eine andere Reaktion (Nebenreaktion) mit anderen
Eigenschaften ergänzt bzw. ersetzt, und ist nach der Volladung die einzige noch
verbleibende Reaktion.
Eine Überladung kann notwendig und wünschenswert (wässrige Elektrolyte), unmöglich
(NaS oder NaNiCl) oder zerstörend (Lithium-Ionen-Batterien) sein.
Bei Batterien mit wässrigem Elektrolyt wird der Nebenreaktionsstrom auch als
Gasungsstrom bezeichnet, weil er zu einer Zersetzung von Wasser und Bildung von
Wasserstoff und Sauerstoff führt.
Ladeerhaltungsbetrieb:
Batterie wird dauerhaft im vollgeladenem Zustand gehalten. Eine Entladung der Batterie
im Betrieb ist nicht vorgesehen.
Bereitschaftsparallelbetrieb:
Die Batterie ist direkt oder über einen DC/DC-Wandler mit einem
Gleichspannungszwischenkreis verbunden, der von einem Gleichrichter gespeist ist und
an den Lasten angeschlossen sind. Die Entladung der Batterie erfolgt nur bei Ausfall des
Netzes bzw. des Gleichrichters, oder wenn (selten und kurzfristig) der Gleichrichter nicht
in der Lage ist, die von den Lasten bezogene Leistung bereitzustellen
(Leistungsbegrenzung des Gleichrichters, Regelungsgeschwindigkeit)
Pufferbetrieb:
Wie Bereitschaftsparallelbetrieb, aber mit kurzen Entladungen im Betrieb bei
kurzfristigen hohen Leistungsbezug der Lasten, bzw. bei Netzausfall.
Zyklischer Betrieb:
Batterie wird ständig ent- und geladen.
Ladekennlinien:
Ws gibt sehr viele unterschiedliche Ladekennlinien. Am häufigsten sind Ladekennlinien
mit einem konstanten Strom bis zu einer vorgegebenen Klemmenspannung der Batterie,
gefolgt von einer konstanten Spannung, die entweder dauerhaft beibehalten wird, oder bei
Erreichen eines bestimmten Stromwerts abgeschaltet wird. Die Ladekennlinie wird als IU
Dr. Heinz Wenzl
Am Bergwäldchen 27, D-37520 Osterode; Tel: +49 5522 919170, Mail: [email protected]
4
•
•
oder CC&CV (englischer Sprachgebrauch; constant current / constant voltage)
bezeichnet.
Vollladezustand:
Vollständige Umwandlung des entladenen Materials in geladenes Material, sowie
Beseitigung aller, beim Entladen und Laden entstandenen Effekte (Inhomogenitäten,
Passivierungsschichten, usw.)
Die Volladung in diesem Sinne ist nur bei Batterietechnologien möglich, bei denen es
nicht-zerstörerische Nebenreaktionen bzw. ein, auf Zellebene arbeitendes
Batteriemanagement bzw. Ladesystem gibt. Die messtechnische Feststellung des
Volladezustandes ist nicht einfach.
Selbstentladung (Stillstand ohne Ladeerhaltung):
interne Umwandlung von geladenem in entladenes Material (weitgehend reversibler Teil)
und irreversible Änderungen, die die Kapazität permanent verringern.
Die folgenden Begriffe erfordern eine umfangreiche Diskussion und können hier nicht
abschließend erläutert werden.
• Ladezustand (SOC = state of charge):
Verhältnis der unter Nennbedingungen entnehmbaren Ladungsmenge zu der
Ladungsmenge, die bei einer vollgeladenen Batterie unter Nennbedingungen entnommen
werden kann (Angabe in Prozent).
• Entladetiefe (DOD = depth of discharge):
1 - SOC (Angabe in Prozent)
• State of health (SOH):
Reduzierung der entnehmbaren Kapazität gegenüber einer neuen Batterie
• State of function (SOF):
Fähigkeit einer Batterie, die geforderte Funktion im aktuellen Zustand zu erfüllen, z.B.
einen Verbrennungsmotor unter den gegebenen Bedingungen zu starten.
Dr. Heinz Wenzl
Am Bergwäldchen 27, D-37520 Osterode; Tel: +49 5522 919170, Mail: [email protected]
5