kann elektrische Energie durch Umwandlung in chemische Energie speichern und diese durch Rückumwandlung wieder abgeben Laden Entladen

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1 1 BATTERIEN-ABCABC

2 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

3 Batterien-ABC 3 Batterie bedeutet eine oder mehrere Zellen, die mit Hilfe permanenter Mittel elektrisch verbunden sind, einschließlich Gehäuse, Kathode Anschlüsse und Kennzeichnungen eine einzelnezelle besteht aus Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt Entladen e - e - Anode 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) Separator

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 Batterien-ABC 4 Elektrode Kathode Ableiter Anode 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!

5 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)

6 Batterien-ABC 6 Kurzschluss nahezu widerstandslose Verbindung der beiden Pole einer elektrischen Spannungsquelle (Anode und Kathode) hoher Kurzschlussstrom Erhitzung der Zelle/Batterie Zersetzung und Verdampfung der Elektrolytflüssigkeit Zersetzung des Kathodenaktivmaterials ausgestoßenes Gas kann sich an den heißen Verbindernentzünden Feuer!!! Gasbildung zusätzliche Wärmeentwicklung und Freisetzung von Sauerstoff VIDEO1

7 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 brichtfrüherunter die Entladeschlusspannung Entladung stoppt, obwohl noch Kapazität vorhandenist 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

8 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 HerstellerdefinierenimAllgemeinendie Nutzungsdauerbis zudemwert, an demnurnoch60 % der ursprünglichen Nennkapazität vorhanden ist Verwendung in Second-life-Batterien?

9 Parallelschaltung Zusammenschaltung gleichnamiger Pole mehrerer Zellen erhöht die Kapazität der Batterie (Spannung bleibt gleich) erhöht den maximalen Entladestrom + Batterien-ABC 9 - 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

10 Batterien-ABC 10 Polymerzelle ( Pouchzelle, Coffee-Bag ) Elektrolytlösungvollständigin Polymer (fest odergelartig) 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

11 Batterien-ABC 11 Prismatische Zelle dünne Batterieform geringfügig kleinere Energiedichten und höhere Produktionskosten als zylindrische Zellen Ruhespannung ( open circuit voltage, OCV) Potentialdifferenz(= Spannung) zwischen den Anschlüssen einer Zelle oder Batterie bei geöffnetem Schaltkreis(unbelasteter Zustand) Potentialdifferenz ist abhängig vom Ladezustand( state of charge, SOC) OCV [V] SOC [%]

12 Batterien-ABC 12 SEI ( solid-electrolyte interface ) Grenzflächenschicht negative Elektrode/Elektrolyt besteht aus Zersetzungsprodukten des Elektrolyten Passivierung der Oberfläche Schutz wächst mit Alterung(kalendarische Lebensdauer und Zyklenzahl) erhöht den Innenwiderstand Impedance (mω) 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( Leckstrom) an Elektroden

13 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 10 4 Shut Down-Funktion Innenwiderstand [Ωcm 2 ] PE PP Temperatur [ C]

14 Serielle Schaltung (Reihenschaltung) Zusammenschaltung ungleichnamiger Pole mehrerer Zellen erhöht die Spannung (Kapazität bleibt gleich) Batterien-ABC 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)

15 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

16 Batterien-ABC 16 Überladung Ladevorgang, bei dem die Ladeschlussspannung überschritten wurde ZerfallderKathodenaktivmaterialien(exothermerProzess) 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 = U x I

17 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.: mm Durchmesser und 65,0 mm Höhe mm Durchmesser und 65,0 mm Höhe