1 Übersicht über Begriffe • Oberbegriff
Werbung
24. 10. 2011 / 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 Untersuchungen 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. Block / Modul: Mehrere miteinander verschaltete Zellen als kleinste Produktions- oder Produkteinheit. Bei 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); Batterie oder Batteriesystem: Kompletteinheit mit allen, für den sicheren und zuverlässigen Betrieb erforderlichen Zusatzkomponenten (Gehäuse, Wärme- und/oder Kühlsystem, Batteriemanagementsystem, Sicherungen, usw. Das Ladegerät zum Wiederaufladen der Batterie wird oft nicht als Bestandteil eines Batteriesystems betrachtet. 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. 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 zu betrachten. Bei der spezifischen Leistung sind die Rahmenbedingungen der Leistungsmessung zu beachten (Dauer, Zustand der Batterie, Lade- oder Entladerichtung, etc.) Theoretische spezifische Energie: Durch die chemische Reaktion freigesetzte Gesamtenergie (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. 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) 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 1 • • • • • • • • • Spannungslage, die sich während des Betriebs einer Zelle im Idealfall nicht verändert, und haben auch keine Rückwirkungen auf die Elektroden der Zelle. 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 oft eine Säure, eine Lauge oder ein, in einem Lösungsmittel gelöstes Salz; Separator: Hoch poröses Material, das mit Elektrolyt getränkt ist und verhindert, dass sich die Elektroden berühren können. Auf einen Separator kann 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. Kapazität: Die aus einer Batterie bis zur Entladegrenze (minimal zulässiger Spannungswert) entnehmbare Strom- oder Ladungsmenge in Amperestunden (Ah); Kapazität (engl. "Capacitance") eines Kondensators ist As/V! 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. Die theoretische spezifische Energie ist die, bei vollständiger Ausnutzung der aktiven Masse ohne Berücksichtigung irgendwelcher anderer Zusatzstoffe und Komponenten erreichbare 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. Pro Reaktion werden n Elektronen (ein (z.B. Li), zwei (z.B. Blei) oder drei (Al)) bei der Reaktion an der Grenzfläche 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 % je nach elektrochemischem System. Nennstrom IN und Nennkapazität KN 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), 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, entsprechend I1, dem einstündigen Strom. Kapazitätsangaben: K20 (C20) bezeichnet die Amperestundenmenge (Ah), die bei einer 20-stündigen 2 • • • • • • • • • • • 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 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 die Batterie nicht frühzeitig zu schädigen, darf die Batterie 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, Kapazität) 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 wird durch eine andere Reaktion 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. Ladeerhaltungsbetrieb: Batterie wird dauerhaft im vollgeladenem Zustand gehalten. Zyklischer Betrieb: Batterie wird ständig ent- und geladen. 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 einigen Batterien möglich, bei anderen nicht. 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 zu erfüllen, z.B. einen Verbrennungsmotor unter den gegebenen Bedingungen zu starten. 3
