1 Übersicht über Begriffe • Oberbegriff

24. 10. 2011 / Heinz Wenzl
Übersicht über Begriffe
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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
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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
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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.
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