Moderne Akkumulatoren

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1 Andreas Jossen Wolfgang Weydanz Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen 207 Abbildungen 36 Tabellen ULB Darmstadt Illllllllllllllllllll

2 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen Inhalt Vorwort III 1 Grundlagen Einführung Die Geschichte des Akkumulators Märkte und Anwendungen Generelle Trends aus Sicht der Anwendungen Prinzipieller Aufbau einer elektrochemischen Zelle Speicher und Wandler Zelle, Batterie und Akkumulator Aufbau einer Zelle Funktionsweise Die elektrische Ladung Chemische Massen Äquivalenz zwischen elektrischer Ladung und chemischer Masse Thermodynamik für Batterien Halbzellenpotentiale und Spannungsreihe Nebenreaktionen Verhalten im Ruhezustand und unter Belastung Ruhespannung Überspannungen Ohmsche Überspannung Durchtrittsüberspannung Doppelschichtkapazität Diffusionsüberspannung Thermisches Verhalten von Batterien 21, Stronv/Spannungscharakteristik ; und Alterung Wärmehaushalt Interne Wärmequellen und -senken Wärmeabgabe durch Strahlung Wärmeabgabe durch Konvektion Wärmeabgabe durch Wärmeleitung Primärzellen und wiederaufladbare : Zellen Wichtige Definitionen Stromstärke und deren Normierung Energie-und Leistungskenndaten Nennspannung Nennkapazität und tatsächliche Kapazität Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität vom Entladestrom Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität von der Temperatur Ladefaktor und Wirkungsgrade Optimierung von Batterien 29 2 Bleibatterien Geschichte der Bleibatterie Anwendungen.' Aufbau und verwendete Materialien Aktivmaterialien Stromableiter/Gitter Konstruktionsprinzipien Weitere Konstruktionsprinzipien Gitterlegierungen Elektrolyt Separator Gehäuse Reaktionsgleichungen Hauptreaktionen Nebenreaktionen Der verschlossene Bleiakkumulator Eigenschaften von Bleibatterien Energie- und Leistungswerte Ruhespannung Entladeeigenschaften Abhängigkeit vom Entladestrom Abhängigkeit von der Temperatur Ladecharakteristik Selbstentladung und Lagerung Alterungsmechanismen Sulfatierung Gitterkorrosion Säureschichtung 56

3 Inhalt 2.8 Sicherheit von Bleibatterien Belüftung von Bleibatterien Sicherheitsmaßnahmen im 3.8 Nahbereich der Batterien Weitere Vorschriften zur Sicherheit Optimaler Betrieb von Bleibatterien. 61 Wasserverlust 95 Bildung von Kurzschlüssen (NiCd).. 96 Sicherheit von NiCd und NiMH Batterien 97 Optimaler Betrieb von NiMH und NiCd Batterien 98 3 Alkalische Batterien 4 (NiCd, NiMH) Einführung Anwendungen Aufbau und verwendete Materialien Aktivmaterial der positiven 4.4 Elektrode Aktivmaterial der negativen Elektrode NiCd Batterie Metallhydrid der NiMH Batterie Stromableiter Gesinterte Elektroden Geschäumte Elektroden Weitere Konstruktionsprinzipien Elektrolyt Separator Gehäuse Reaktionsgleichungen Hauptreaktionen der NiCd Batterie Hauptreaktionen der NiMH Batterie Nebenreaktionen Gasdichte NiCd und NiMH Akkumulatoren Die wichtigsten Eigenschaften Energie- und Leistungswerte Ruhespannung Entladeeigenschaften Abhängigkeit vom Entladestrom Abhängigkeit von der Temperatur Ladecharakteristik Selbstentladung und Lagerung Alterungsmechanismen Reversible Effekte Der klassische Memory Effekt Der Memory Effekt Alterung der Ni-Elektrode (NiCd und NiMH) Alterung der Metallhydridelektrode Lithiumbatterien..". 101 Einleitung 101 Markt und Anwendungen 103 Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen Zelle 104 Materialien für Lithium-Ionen Zellen 107 Materialien der negativen Elektrode 108 Lithium-Metall 108 Amorpher Kohlenstoff 109 Graphit 110 Lithiumlegierungen 111 Metalloxide 112 Lithium-Titanat, Li 4 Ti Zusammenfassung der Materialien der negativen Elektrode 114 Materialien der positiven Elektrode. 114 LiCoO LiNiO LiMn 2 O Li(Ni x Co y Mn z )O LiFePO Zusammenfassung der Materialien der positiven Elektrode 118 Weitere Entwicklungstrends 118 Nano-Materialien für Lithium-Ionen Systeme 119 Stromableiter, Elektrodenaufbau und Separator 121 Stromableiter 121 Elektrodenaufbau 121 Separatoren 121 Elektrolyte und Grenzflächen 123 Elektrolyt 123 Grenzflächen und SEI-Film 124 Lithium-Ionen versus Lithium-Polymer Zellen 126 Andere Lithium-Systeme 127

4 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen 4.6 Nächste Generation von Lithiumzellen Lithiumzellen für Hochstromanwendungen Sicherheit von Lithium-Ionen Zellen Eigenschaften von Lithium-Ionen Zellen Spannungsverlauf im Ruhezustand Entladeverhalten Einfluss der Temperatur beim Entladen Anwendungsbereich und Lagerung Alterung von Lithiumzellen Kapazitätsverlust beim Gebrauch Nachbemerkung Schutzelektronik und Standardladeverfahren Maximale Ladespannung Ladeverfahren Empfehlungen für den optimalen Betrieb von Lithium-Ionen Zellen Zusammenfassung 151 Recycling von Batterien 153 Vorschriften und Kennzeichnungspflicht 153 Rücklaufund Rücknahme von Batterien 154 Organisationen zum Batterierecycling 156 Recyclingverfahren 157 Trennung der Batteriearten 157 Recycling von Bleibatterien 158 Recycling von NiCd Batterien 159 Recycling von NiMH Batterien 159 Recycling von Lithium-Ionen Batterien Recycling von quecksilberhaltigen Knopfzellen 160 Vermeidung von Umweltbelastungen durch Batterien 160 Batteriesystemtechnik 163 Batteriemanagement Sicherheitsmanagement Überwachung Aktives Management Thermisches Management Das Smart Battery System Individuelle Batteriemanagementsysteme Ladeverfahren Einführung Die Nomenklatur klassischer Ladeverfahren Ladephasen Pulsladeverfahren (Prinzip) Ladeverfahren für NiCd und NiMH Batterien I und Ia Ladung Abschaltkriterien für die Ia Ladung Erhaltungsladung von NiMH und NiCd Batterien Weiterentwickelte Ladeverfahren Laden mit PWM Pulsmustern nachtemic Das Reflex Ladeverfahren Das ACT Ladeverfahren Das CCS Ladeverfahren Das ECS Ladeverfahren Das VDX Ladeverfahren Druckgesteuertes Laden I-C Probleme beim Laden von NiMH und NiCd Batterien Ladeverfahren für Lithium-Ionen Batterien Vorladephase bei Lithium-Ionen Batterien IUa Ladung Pulsladeverfahren Weitere Ladeverfahren für Lithium-Ionen Batterien Erhaltungsladung Ladeverfahren für Bleibatterien Die IU und IUa Ladung Die IU0U Ladung DielUIaLadung Wa und WOWa Ladung Weiterentwickelte Ladeverfahren Batteriezustandsbestimmung Definitionen 205

5 Inhalt Methoden zur Bestimmung des 8 Lade- und Alterungszustands Messung der Ruhespannung Bilanzierende Verfahren Modellbasierte Verfahren Impedanzmessungen Weitere Verfahren zur Bestimmung der Alterung Batterieprüftechnik Einführung Normen und Richtlinien Normen zu Baugrößen und zur Benennung Normen für die Prüfung von Batterien Normen zur Sicherheit Prüfmethoden Messung der Entladeeigenschaften Lagerungstest und Messung der Selbstentladung Test derwiederladbarkeit Wirkungsgradmessungen Messung von Energie-und 8.5 Leistungsdaten Widerstands und Impedanz messungen Gleichstromwiderstand Wechselstromwiderstand Impedanzmessungen Lebensdauertests Prüfgeräte Geräte für die Schnellprüfung 9.1 (Servicegeräte) Geräte zur Messung der Säuredichte in Bleibatterien Spannungsmessgeräte Hochstromtestgeräte Entladegeräte Geräte zur Messung des Innenwiderstands Ladegeräte mit Zusatzfunktionen (Hobbyanwendungen) Testgeräte für Industrie anwendungen Batterieprüflabore Auslegung und Design von Batteriepacks 237 Anwendungen und deren Anforderungen 237 Generelles zur Wahl des Zelltyps 237 Richtige Auslegung von Batteriepacks 238 Innenwiderstände von Batteriepacks 239 Von der Einzelzelle zum Batteriepack 240 Generelles zu Zellen in Batteriepacks 240 Verschaltung von Zellen zu Batteriepacks 240 Nickelbasierte Zellen im Pack 240 Lithium-Ionen und Lithium- Polymer Zellen im Pack 243 Dimensionierung von Batteriepacks. 245 Laden im Pack 246 Ladetechnik für Packs mit Nickel-basierten Systemen 246 Ladetechnik für Packs mit Lithium-Ionen Zellen 246 Sicherheitstests und Transportvorschriften 251 Sicherheitstests an Zellen 251 Verpackungsvorschriften 251 Transportvorschriften 252 Weitere Entwicklungen 255 Dünnschichtzellen 255 Brennstoffzellen 256 Elektrolyse und Brennstoffzelle 256 Arten von Brennstoffzellen 257 Festbrennstoffzellen (SOFC) 257 Polymermembranbrennstoffzellen (PEM) 259 Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) 260 Weitere Brennstoffzellentypen 261 Mikrobrennstoffzellen 261 j Vorteile und Nachteile der j Brennstoffzelle 2621 j Kondensatoren 263

6 % Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen Dielektrische Kondensatoren Aufbau von Kondensatoren und eingesetzte Materialien Elektrolytkondensatoren Doppelschichtkondensatoren Weitere Möglichkeiten der Energieversorgung Konkurrenz oder Kooperation: Hybridsysteme Literatur 275 Stichwortverzeichnis 277