«Batterien als Energiespeicher»

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1 «Batterien als Energiespeicher» Batterie Typen und Eigenschaften Dipl.-Ing. (FH) Sébastien Demont Ch. de l Agasse 18 CH-1950 Sion Switzerland sebastien.demont@dems.ch

2 Batterien Typen Die am häufigsten verwendeten Akkus sind Blei-Säure, NiCd und Li- Ion. Hier ist eine kurze Zusammenfassung ihrer Eigenschaften. Blei-Säure Ältestes Akku System Blei-Säure ist robust auch bei schlechter Nutzung Preiswert Aber hat eine geringe spezifische Energie und eine begrenzte Zyklenzahl Nickel - Cadmium Lange Lebensdauer Hoher Entladestrom Extreme Temperaturen erforderlich Ultra-schnelles Laden. Aufgrund von Umweltbedenken, wird NiCd mit anderen Chemikalien ersetzt werden Lithium Ionen Li-Ion ersetzt Blei und Nickel basierte Batterien Wegen Sicherheitsbedenken braucht Li-Ion eine Schutzschaltung. Sie sind teurer als die meisten anderen Batterien, eine hohe Zyklenzahl und geringe Wartung reduzieren die Kosten pro Zyklus viel stärker als viele andere Chemikalien.

3 Blei-Säure Starter Battery: Die Starterbatterie hat viele dünne Platten parallel mit niedrigem Widerstand um eine hohe Oberfläche zu erzielen. Die Starterbatterie erlaubt keine tiefe Entladung. Depth of discharge Starter battery Deep-cycle battery 100% 50% 30% cycles cycles cycles cycles cycles 1,000 cycles Deep-cycle battery Die Tiefentladungs-Batterie hat dicke Platten für eine verbesserte Zyklen Fähigkeit. Diese Batterie ermöglicht in der Regel etwa 300 Zyklen. Vorteile Nachteile Preiswert und einfach herzustellen Niedrige Kosten pro Wattstunde Geringe Selbstentladung Hohe Entladeströme Gute Niedrig- und Hochtemperaturleistung Geringe spezifische Energie, schlechte Gewichts -zu- Energie - Verhältnis Langsame Ladung ; vollständig gesättigte Ladung dauert Stunden Muss in geladenem Zustand gelagert werden Normale Blei-Säure- Batterien brauchen eine Endladephase alle sechs Monate um eine Sulfurisierung zu vermeiden Tiefentladungs Zyklen reduzieren die Lebensdauer der Batterie Überflutete Version erfordert Unterhalt (Wasser nachfüllen) Nicht umweltfreundlich

4 Absorbent Glass Mat (AGM) Unterschied zwischen AGM und anderen Blei-Säure Batterietypen Sehr niedriger Innenwiderstand Hohe Ströme Bietet eine relativ lange Lebensdauer, auch wenn tief gefahren wird AGM ist wartungsfrei Gute elektrische Zuverlässigkeit Leichter als die Blei-Säure Batterien Gut auf niedrige Temperaturen Geringe Selbstentladung Weniger anfällig für die Sulfurisierung und kann länger eingelagert werden, bevor eine Ladung erforderlich wird AGM bietet eine Tiefe der Entladung von 80 Prozent, die Blei-Säure gefluteten andererseits sind bei 50 Prozent limitiert, um die gleiche Lebensdauer zu erreichen. Die Nachteile sind die etwas niedrigere spezifische Energie und die höheren Herstellungskosten

5 Blei-Säure Ladeverfahren Die Blei-Säure Batterie verwendet einen konstanten Strom mit konstanter Spannung ( CC / CV) Ladeverfahren. Die Ladezeit beträgt 12 bis 16 Stunden und bis zu Stunden für große stationäre Batterien Blei-Säure- Batterien sollten in drei Stufen berechnet werden, die [1] Konstantstrom - Ladung, [2] Endladephase und [3] Erhaltungsladung. Während der Konstantstromladung erreicht die Batterieenergie in 5-8 Std etwa 70 Prozent, die restlichen 30 Prozent werden mit der langsameren Endladephase gefüllt, die noch 7-10 Stunden dauert. Die Endladephase ist wichtig für das Wohlbefinden der Batterie! Wird diese ständig nicht ausgeführt, verliert die Batterie schließlich die Fähigkeit, eine volle Ladung zu akzeptieren!

6 Nickel Cadmium Batterie Seit vielen Jahren war NiCd die bevorzugte Wahl für Batterie Zwei-Wege- Radios, medizinische Notfallausrüstung, professionelle Videokameras und Elektrowerkzeuge Die Standard- NiCd bleibt eine der robustesten Batterien. NiCd, und teilweise auch NiMH, haben Memory-Effekt, der einen Kapazitätsverlust verursacht, wenn kein regelmäßiger vollständige Entlade- Zyklus durchgeführt wird. Die Batterie scheint sich an die vorher gelieferte Energie zu erinnern und wird dies einmal zur Routine, will sie es nicht mehr ändern. Vorteile Nachteile Robust, hohe Zyklenzahl mit der richtigen Pflege Kann sich sehr schnell ohne Stress laden Gute Lastleistung und lange Haltbarkeit Kann in einem entladenen Zustand gelagert werden Gut bei Tieftemperatur NiCd ist die billigste Variante in Bezug auf Kosten pro Zyklus Erhältlich in einer Vielzahl von Größen und Leistungsoptionen Relativ niedrige spezifische Energie im Vergleich zu neueren Systemen Der Memory-Effekt ; braucht regelmäßige vollständige Entladungen Cadmium ist ein giftiges Metall. Hohe Selbstentladung ; muss nach der Lagerung aufgeladen werden Niedrige Zellspannung von 1.20V erfordert viele Zellen, um eine hohe Spannung zu erreichen

7 Lithium Baterien Lithium ist das leichteste aller Metalle, hat das größte elektrochemische Potential und bietet die größte spezifische Energie pro Gewicht. Li- Ion ist eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, welcher die meisten anderen Chemikalien nicht haben. Die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte als die von Nickelbasierten Systemen. Die nominelle Zellspannung ist 3.60V V. Die Nachteile sind die Notwendigkeit für Schutzschaltungen, um Missbrauch zu verhindern, sowie der hohe Preis. Die Hersteller können durch Zugabe von Nickel anstelle des teureren Kobalt relativ leicht eine hohe spezifischen Energie und niedrige Kosten erreichen, das macht die Zelle aber weniger stabil. Vorteile Nachteile Hohe spezifische Energie und hohe Belastbarkeiten mit Power Cells Lange Zyklus und Haltbarkeit verlängern; wartungsfrei mit hoher Kapazität, geringer Innenwiderstand, gute Coulomb-Effizienz, Einfacher Ladealgorithmus und angemessene kurze Ladezeiten, geringe Selbstentladung ( weniger als die Hälfte im vgl. mit NiCd- und NiMH) Erfordert Schutzschaltung um thermische Instabilität zu verhindern, welche sich bei hoher Temperatur und bei hoher Spannung aufbaut, keine schnelle Ladung möglich bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (<0 C, < 32 F) Transportvorschriften erforderlich, wenn in größeren Mengen bestellt (keine Luftfracht möglich)

8 Lithium Iron Phosphate(LiFePO 4 ) Lithium-Ion Typen Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium. Lithium-Ionen Akkus sind mit den aktiven Materialien beschrieben. Die Wörter werden entweder vollständig oder verkürzt und entsprechen den chemischen Symbolen. Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO 2 or NMC) Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO 2 or NCA)

9 Lithium Iron Phosphate(LiFePO 4 ) Lithium Iron Phosphate: LiFePO 4 cathode, graphite anode Short form: LFP or Liphosphate Since 1996 Li -phosphat ist toleranter gegenüber vollen Ladebedingungen und wird weniger belastet als andere Lithium-Ionen- Systeme, wenn bei einer hohen Spannung für eine längere Zeit gelagert. Li- Phosphat hat eine höhere Selbstentladung als andere Li - Ionen-Batterien, die Balancing Probleme mit dem Altern verursachen können. Li- Phosphat wird häufig verwendet, um die Blei-Säure- Starterbatterie zu ersetzen. Voltages Specific energy (capacity) Charge (C-rate) Discharge (C-rte) Cycle life Thermal runaway Applications Comments 3.20, 3.30V nominal; typical operating range V/cell Wh/kg 1C typical, charges to 3.65V; 3h charge time typical 1C, 25C on some cells; 40A pulse (2s); 2.50V cutoff (lower that 2V causes damage) (related to depth of discharge, temperature) 270 C (518 F) Very safe battery even if fully charged Portable and stationary needing high load currents and endurance Very flat voltage discharge curve but low capacity. One of safest Li-ions. Used for special markets. Elevated selfdischarge.

10 Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO 2. cathode, graphite anode Short form: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN similar with different metal combinations) Since 2008 Voltages 3.60V, 3.70V nominal; typical operating range V/cell, or higher Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO 2 or NMC) Eine der erfolgreichsten Li-Ionen-Systeme ist eine Kathoden Kombination von Nickel-Mangan-Kobalt (NMC). Specific energy (capacity) Charge (C-rate) Discharge (C-rate) Cycle life Thermal runaway Applications Wh/kg 0.7 1C, charges to 4.20V, some go to 4.30V; 3h charge typical. Charge current above 1C shortens battery life. 1C; 2C possible on some cells; 2.50V cut-off 1000 (related to depth of discharge, temperature) 210 C (410 F) typical. High charge promotes thermal runaway E-bikes, medical devices, EVs, industrial Diese Systeme Können als Energiezellen oder Leistungszellen benutzt werden. NMC hat eine gute Gesamtleistung und zeichnet sich aus durch seine spezifische Energie. Diese Batterie ist der bevorzugte Kandidat für das Elektrofahrzeug und hat die niedrigste Selbsterwärmungsrate. Comments Provides high capacity and high power. Serves as Hybrid Cell. Favorite chemistry for many uses; market share is increasing.

11 Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoAlO 2 cathode (~9% Co), graphite anode Short form: NCA or Lialuminum. Since 1999 Voltages 3.60V nominal; typical operating range V/cell Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO 2 or NCA) Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid Batterie oder NCA, wird seit 1999 für spezielle Anwendungen gebraucht. Specific energy (capacity) Charge (C-rate) Discharge (C-rate) Cycle life Thermal runaway Applications Comments Wh/kg; 300Wh/kg predictable 0.7C, charges to 4.20V (most cells), 3h charge typical, fast charge possible with some cells 1C typical; 3.00V cut-off; high discharge rate shortens battery life 500 (related to depth of discharge, temperature) 150 C (302 F) typical, High charge promotes thermal runaway Medical devices, industrial, electric powertrain (Tesla) Shares similarities with Li-cobalt. Serves as Energy Cell. Sie teilt sich Ähnlichkeiten mit NMC aber bietet eine hohe spezifische Energie, recht gute spezifische Leistung und eine lange Lebensdauer. Aluminium Zugabe gibt der Chemie mehr Stabilität. Kosten sind noch ziemlich hoch.

12 Technologie Vergleich Li-phosphate battery Li- Phosphat hat eine ausgezeichnete Sicherheit und lange Lebensdauer, aber eine moderate spezifische Energie und eine erhöhte Selbstentladung NMC battery NMC hat eine gute Gesamtleistung und zeichnet sich durch seine spezifische Energie aus. Diese Batterie ist der bevorzugte Kandidat für das Elektrofahrzeug und hat die niedrigste Selbsterwärmungsrate. NCA battery Hohe Energie- und Leistungsdichten, sowie eine gute Lebensdauer, machen aus der NCA Batterie ein Kandidat für die EV Antriebe. Hohe Kosten und hohe Sicherheitsvorkehrungen sind die Negativpunkte.

13 Verschiede Zellen Prismatic Cell Cylindrical Cell Pouch Cell Die zylindrische Zelle hat eine gute Zyklen Fähigkeit und bietet eine lange Lebensdauer. Der Beutel Zelle bietet eine einfache, flexible und leichte Lösung für Batterie-Design, aber es braucht mechanische Stützstruktur für die Zelle. Die prismatische Zelle hat eine verbesserte Raumausnutzung und erlaubt eine flexible Gestaltung, die Herstellung kann aber teurer sein, weniger effizient im Wärmemanagement und hat eine kürzere Lebensdauer als das zylindrische Design.

14 Lithium Polymer Li- Polymer ist dadurch einzigartig, weil ein mikroporöser Elektrolyt den traditionell porösen Separator ersetzt. Li-Polymer bietet eine etwas höhere spezifische Energie und kann dünner als herkömmlichen Lithium-Ionen sein. Für Diskussionszwecke werden Pouch-Zellen (Beutelzellen) häufig als Li-Polymer bezeichnet.

15 Lithium-ion Ladeverfahren Li-Ion braucht keine vollständige Ladung, wie bei Blei-Säure Batterie. Es ist auch nicht wünschenswert, dies zu tun. In der Tat ist es besser, diese Batterien nicht vollständig aufzuladen. Die Wahl eines unteren Spannungsschwelle oder Eliminierung der Sättigungsladung verlängert Lebensdauer der Batterie, aber reduziert die Laufzeit.

16 Schutzelektronik Jede Zelle in einem String braucht unabhängige Spannungsüberwachung Alle Li -Ionen-Zellen erfordern eine Schutzschaltung!!! Beim Laden darf die höchste Zelle nie mehr als 4.2V erreichen. Beim Entladen darf die schwächste Zelle nie weniger als 2.5V erreichen. Die Zelltemperatur muss immer unter 60 Grad bleiben. Maximaler Strom ist bei der Zellspezifikation definiert. Die Elektronik schützt die Zellen auch bei einem Kurzschluss

17 Zellenausgleich Mit der Zeit und im Einsatz werden Batteriezellen nicht mehr übereinstimmen. Zellen, die eine hohe Selbstentladung entwickeln führen zu einem Ungleichgewicht und später zum Ausfall. Die Elektronik kümmert sich darum, dass alle Zellen dieselbe Spannung behalten. Wenn die erste Zelle während der Entladung 3V erreicht, wird das BMS das Entladerelais öffnen. Wenn die Batterie gemessen wird, sieht man eine Spannung von ungefähr 0V. Wenn die erste Zelle während der Ladung 4.2V erreicht, wird das BMS das Laderelais öffnen. Eine Entladung ist noch möglich aber keine Ladung.

18 12V 110AH Lead AGM Battery

19 12V 100AH LiFePo4 Battery

20 24V 104AH NMC Battery 2.400,00 CHF, zzgl. Versandkosten

21 48V 108AH NCA battery

22 Vegleich AGM, LiFePo4, NMC, NCA Für eine 48V Anwendung AGM LiFePo4 NMC NCA Kapazität 110Ah / 5300Wh 100Ah / 5100Wh 104Ah / 5370Wh 108Ah / 5100Wh Effektive Kapazität 66Ah / 3200Wh 100Ah / 5100Wh 104Ah / 5370Wh 108Ah / 5100Wh Gewicht 128 Kg 60 Kg 48.6 Kg 28 Kg Zyklen Preis

23 Praktisches Beispiel Nebelbläser Ladegerät: Spannung: 29.4V Strom: 5A Ladezeit: ~6 Std. Ladezeit für Lagerzustand: ~3 Std. Nebelbläser Batterie: Konfiguration: 7 Zellen in Parallel und 7 in Serie (7p7S) Kapazität: 7p x 3.4Ah = 23.8Ah x (3.63 x 7s) = 604Wh Min. Spannung: 3.00V x 7s = 21V Nom. Spannung: 3.63V x 7s = 25.4V Max. Spannung: 4.20V x 7s = 29.4V Max. Strom: 13A (Thermisch begrenzt) Ladezellentemperatur: 0 bis +45 Grad Entladetzellentemperatur: -20 bis +60 Grad

24 How to Recycle Batteries Blei-Säure : Recycling von Blei-Säure mit der Einführung der Starterbatterie begann im Jahr Der Prozess ist einfach und kostengünstig. Blei ist einfach zu extrahieren und kann mehrfach wiederverwendet werden. Dies führte zu viele profitable Unternehmen und das Recycling von anderen Batterien. Batterie-Recycling ist energieintensiv. Berichte zeigen, dass es 6 bis 10 mal mehr Energie braucht Metalle aus einigen reziklierten Batterien zurückzugewinnen, als aus dem Bergbau. Nickel -Cadmium: Wenn NiCd-Batterien achtlos weggeworfen werden, korrodieren mit der Zeit die Zylinder der Metallzelle. Cadmium löst sich und sickert in die Wasserversorgung. Sobald die Kontamination beginnt, sind Behörden hilflos um die Verseuchung zu stoppen. Unsere Ozeane zeigen bereits Spuren von Cadmium, aber die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, woher es stammt. Lithium -Ionen- : Li-Ion ist relativ harmlos, aber verbrachte Packs sollten ordnungsgemäß entsorgt werden. Li-Ion enthält schädliche Elemente, die ein ähnliches Toxizitätsniveau wie elektronischen Geräte haben.

25 Zusammenfassung

26 FRAGEN? Dipl.-Ing. (FH) Sébastien Demont Ch. de l Agasse 18 CH-1950 Sion Switzerland sebastien.demont@dems.ch