Moderne Akkumulatoren

Transkript

1 Andreas Jossen Wolfgang Weydanz Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen 2. überarbeitete Auflage 239 Abbildungen 42 Tabellen

2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über abrufbar. 2. Auflage - Göttingen: Cuvillier, 2019 CUVILLIER VERLAG, Göttingen 2019 Nonnenstieg 8, Göttingen Telefon: Telefax: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen 2. überarbeitete Auflage, Februar 2019 ISBN Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung der Autoren ist es nicht gestattet, das Buch oder Teile daraus auf fotomechanischem oder fotoelektrischem Weg (Fotokopie, Mikrokopie, Scan) zu vervielfältigen. Satz und Layout: Philipp Küchler und Christina Jossen Umschlaggestaltung: Danil Nazarkin und Hanna Weydanz Druck: Pachnicke Druck, Göttingen

3 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen (2. Auflage) III Vorwort zur zweiten Auflage Liebe Leserin, lieber Leser, Sie halten die zweite, stark überarbeitete Auflage des Batteriebuchs in der Hand. Danke, dass Sie so großes In teresse an unserem Wissen hatten und haben. Der Erfolg der ersten Auflage hat uns im Nachhinein zu sätzlich bestärkt. Es gab und gibt einen deutlichen Bedarf an allgemein verständlichem Wissen zu elektrochemischen Speichern, deren Grundlagen und Anwendung. Das Batteriebuch hat sich als leicht verständliches Nachschlagewerk, Vorlesungsbegleitung und Lektüre für Wissbegierige in deutscher Sprache sehr gut am Markt etabliert. Einige von Ihnen haben auch schon nachgefragt, wann denn die Neuauflage erscheinen werde. Danke für dieses Interesse und die damit verbundene Bestärkung unseres Konzep ts. In den vielen Jahren seit Erscheinen der ersten Auflage hat sich sehr viel getan im Bereich Batterien, speziell im noch jungen Bereich der Lithium-Ionen Batterien. Elektrochemische Energie speicher sind - mehr als noch vor einer Dekade - aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzu denken. Die Welt wird elektrisch und tragbar. In diesem Umfeld spielen elektrochemische Spei cher eine zentrale Rolle. System technik sowie im Bereich der Messmethoden, beim Recycling und den Vorschriften gibt es viele neue Entwicklungen. Diese Kapitel liegen in komplett neuer, beziehungsweise in stark überarbeiteter Form vor. In den anderen Kapiteln haben wir alle Informationen auf den neuesten Stand gebracht. Allein im Kapitel 8 Auslegung und Design von Batteriepacks haben wir wenig geändert. Hier sind die Grundlagen beschrieben. Besonderer Dank gilt allen Beteiligten, die uns tatkräftig unterstützt haben. Neben Philipp Küchler, der das Layout und den Satz gestaltet hat, sind das Danil Nazarkin, der das Umschlagbild erstellt und Jonas Westhoff der das Korrektorat übernommen hat. Unser Dank gilt auch all denjenigen, die uns Grafiken und Bilder zur Verfügung gestellt haben. Ebenso danken wir Frank Gruendel, der uns zahlreiche Hinweise und Verbesserungsvorschläge zur ersten Auflage gemacht hat. Wir wünschen Ihnen viele neue Einsichten und gute Erbauung beim Lesen oder Nachschlagen. Andreas Jossen Fürstenfeldbruck Februar 2019 Wolfgang Weydanz Buckenhof Viele neue Marktsegmente wie große tragba re Elektrowerkzeuge und Gartengeräte, ein mittlerweile stark wachsender Markt im Bereich Elektrofahrzeu ge, der boomende Markt der Elektrofahrräder, eine breite Elektrifizierung und Hybridi sierung auch im Nutzfahrzeugbereich sowie der große Bereich der erneuerbaren Energien mit einem verbundenen Bedarf für elektrische Speicher ändern unser tägliches Leben mehr und mehr. Für alle Bereiche sind Speicher eine Schlüsselkomponente. Somit war es uns wichtig, die Informationen im Buch auf den neuesten Stand zu bringen. Gerade im Teil der Lithium-Ionen Zellen, deren

4 IV Vorwort zur ersten Auflage Die Idee zu diesem Buch entstand durch zahlreiche Seminare und Schulungen, die wir im Laufe der letzten Jahre - auch gemeinsam - gehalten haben. Die Fragen und Diskussionen mit Teilnehmern haben uns dazu animiert und ganz wesentlich den Inhalt dieses Buchs mit geprägt. Speziell anwendungsrelevante Themen wie Alterung, Ladetechnik und der optimale Einsatz von Batterien sind immer wieder ausgiebig diskutiert worden, so dass Sie für jedes in diesem Buch vorgestellte Batteriesystem behandelt werden. Wir haben hierbei versucht, das Verhalten einer Batterie durch die zugrundeliegenden physikalischen und chemischen Vorgänge zu erklären. Diese Brücke zwischen Theorie und Praxis zu schlagen war nicht immer einfach. Der mehr praxisorientierte Leser mag uns die Theorie an der ein oder anderen Stelle verzeihen oder sie geflissentlich überblättern. Akkumulatoren und Batterien spielen im Zeitalter moderner Telekommunikations- und Informationstechniken eine immer größere Rolle. Die Entwicklung neuer Produkte ist oft stark mit der Verfügbarkeit von Hochenergie- oder Hochleistungsakkumulatoren korreliert. Viele Produkte, wie Mobiltelefone und Hybridfahrzeuge, wären ohne die modernen Lithium-Ionen und Nickelmetallhydrid Akkumulatoren nicht denkbar. Beide Autoren arbeiten seit vielen Jahren im Bereich der Batterieentwicklung und -anwendung und haben sich mit den unterschiedlichsten Speichersystemen und deren Anwendung auseinandergesetzt. Neben der Entwicklung von Materialien für Lithium-Ionen Batterien haben wir uns mit dem Bau von Zellen, der Entwicklung von Managementsystemen für Batterien, der Auslegung und dem Test von Batterien auseinandergesetzt. Die Erstellung dieses Buchs hat alle Beteiligten deutlich mehr in Anspruch genommen, als wir uns das zu Beginn vorgestellt haben. Besonderer Dank gilt Philipp Küchler, der in zahlreichen Nachtschichten das Layout erstellt, geändert und immer wieder verbessert hat. Mit großem Verständnis haben auch unseren Familien die Erstellung dieses Buchs unterstützt. Ihnen hätte die meiste Zeit gehört... Andreas Jossen Wolfgang Weydanz Leipheim Dezember 2005 München Auch wenn die Bleibatterie schon vor über 100 Jahren erfunden wurde, nur eine geringe Energiedichte besitzt und eigentlich kein modernes Batteriesystem ist, haben wir sie in diesem Buch ebenfalls beschrieben. Das lässt sich mit der großen Bedeutung dieses Systems rechtfertigen. Etwa die Hälfte des weltweit erwirtschafteten Umsatzes mit Akkumulatoren erfolgt immer noch mit Bleibatterien.

5 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen (2. Auflage) V Inhalt 1 Grundlagen Einführung Die Geschichte des Akku mulators 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 Strom-/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 Leistungs kenndaten Nennspannung Nennkapazität und tatsächliche Kapazität Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität vom Entladestrom Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität von der Temperatur Ladefaktor und Wirkungsgrade Optimierung von Batterien Bleibatterien Geschichte der Bleibatterie Anwendungen Aufbau und verwendete Materialien Aktivmaterialien Stromableiter/Gitter Konstruktionsprinzipien Weitere Konstruktionsprinzipien Gitterlegierungen Elektrolyt Separator Gehäuse Reaktionsgleichungen Hauptreaktionen Nebenreaktionen Der verschlossene Blei akkumulator (VRLA) Eigenschaften von Bleibatterien Energie- und Leistungswerte Ruhespannung Entladeeigenschaften Abhängigkeit vom Entladestrom Abhängigkeit von der Temperatur Ladecharakteristik Selbstentladung und Lagerung Alterungsmechanismen Sulfatierung Gitterkorrosion Säureschichtung Sicherheit von Bleibatterien Belüftung von Bleibatterien Sicherheitsmaßnahmen im Nahbereich der Batterien Weitere Vorschriften zur Sicherheit Optimaler Betrieb von Bleibatterien... 69

6 VI Inhalt 3 Alkalische Batterien (NiCd, NiMH) Einführung Anwendungen Aufbau und verwendete Materialien Aktivmaterial der positiven 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 Metallhydrid elektrode Wasserverlust Bildung von Kurzschlüssen (NiCd) Sicherheit von NiCd und NiMH Batterien Optimaler Betrieb von NiMH und NiCd Batterien Lithiumbatterien Einleitung Anwendungen und Markt Funktionsprinzip und Materialien für Lithium-Ionen Zellen Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen Zelle Materialien für Lithium-Ionen Zellen Materialien der negativen Elektrode Lithium-Metall Amorpher Kohlenstoff Graphit Hard Carbons Lithiumlegierungen Legierungs-Kohlenstoff-Komposite Lithium-Titanat, Li 4 Ti 5 O Zusammenfassung der Materialien der negativen Elektrode Materialien der positiven Elektrode LiCoO LiNiO LiNi x Co y Al z O LiMn 2 O Mischungen von Kathoden materialien LiNi x Co y Mn z O LiFePO Zusammenfassung der Materialien der positiven Elektrode Weitere Entwicklungstrends Nano-Materialien für Lithium-Ionen Systeme Stromableiter, Elektroden aufbau und Separatoren Stromableiter Elektrodenaufbau Separatoren Elektrolyte und Grenzflächen Elektrolyte Grenzflächen und SEI-Film Lithium-Ionen versus Lithium-Polymer Zellen Andere Lithium-Systeme Nächste Generation von Lithiumzellen Lithiumzellen für Hochstromanwendungen Eigenschaften von Lithium-Ionen Zellen 157

7 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen (2. Auflage) VII Spannungsverlauf im Ruhezustand Entladeverhalten Einfluss der Temperatur beim Entladen Betriebsströme und Spannungsgrenzen Ladeverfahren Anwendungsbereich und Lagerung Alterung von Lithium-Ionen Zellen Kapazitätsverlust, Innenwiderstandsanstieg und Alterung beim Gebrauch Generelle Überlegungen zur Alterung Alterung und Abhängigkeit von der Temperatur Alterung und Abhängigkeit von der Spannung Alterung und Abhängigkeit vom Ladezustand Alterung und Abhängigkeit vom Strom Alterung und Abhängigkeit von der Zyklentiefe Nachbemerkung Sicherheit von Lithium-Ionen Zellen Generelles zur Sicherheit von Lithium-Ionen Zellen Sicherheitsvorkehrungen in den Zellmaterialien Sicherheit von Kathoden materialien Balancierung der Elektroden Keramische Beschichtungen auf den Elektroden Shut-Down-Separator Kupfer-Dendriten-Thematik Flammschutz-Additive zum Elektrolyten Überlade-Shuttle in der Zelle Sicherheitsvorkehrungen im mechanischen Zellaufbau oder außerhalb der Zelle Current Interrupt Device (CID) und Sicherheitsventil PTC-Element Sicherheitselektronik Ebenen der Sicherheit im System Potentielle Gefahren und Schäden Empfehlungen für den optimalen Betrieb von Lithium-Ionen Zellen Zusammenfassung Reserven an Batteriematerialien, Sicherheit, Transport sowie Recycling von Batterien Reserven an Batterie materialien Blei Nickel Lithium Kobalt Graphit Mangan und Eisen Kupfer und Aluminium Zusammenfassung Reserven Sicherheitstests Sicherheitstests an Zellen und Systemen Sicherheitstests gemäß der Gefahrgutvorschriften für Zellen bzw. Batterien Testkriterien und Hazard Levels Anwendungsspezifische Standards Vorschriften für die Beförderung (Verpackung und Durchführung des Transports) Verpackung Durchführung des Transports Besondere Transportzulassung Recycling von Batterien Vorschriften und Kennzeichnungspflicht Rücklauf und Rücknahme von Batterien Organisationen des Recyclings von Batterien Verfahren des Recyclings Trennen der Batteriearten Recycling von Bleibatterien Recycling von NiCd Batterien Recycling von NiMH Batterien Recycling von Lithium-Ionen Batterien Vermeidung von Umweltbelastungen durch Batterien Batteriesystemtechnik Batteriemanagement

8 VIII Inhalt Sicherheitsmanagement Überwachung Aktives Management Thermisches Management Batteriemanagement-Architekturen Das Smart-Battery-System 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-Strom Weitere Ladeverfahren 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 Die IUIa-Ladung Wa- und W0Wa-Ladung Weiterentwickelte Ladeverfahren Batteriezustandsbestimmung Definitionen Methoden zur Bestimmung des 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 der Wiederaufladbarkeit Wirkungsgradmessungen Messung von Energie- und Leistungsdaten Widerstands- und Impedanzmessungen Gleichstromwiderstand Wechselstromwiderstand Impedanzmessungen Lebensdauertests Prüfgeräte Geräte für die Schnellprüfung (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 Anwendungen und deren Anforderungen Generelles zur Wahl des Zelltyps Richtige Auslegung von Batteriepacks Innenwiderstände von Batteriepacks Von der Einzelzelle zum Batteriepack.. 302

9 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen (2. Auflage) IX Generelles zu Zellen in Batteriepacks Verschaltung von Zellen zu Batteriepacks Nickelbasierte Zellen im Pack Lithium-Ionen und Lithium-Polymer Zellen im Pack Dimensionierung von Batteriepacks Laden im Pack Ladetechnik für Packs mit Nickel-basierten Systemen Ladetechnik für Packs mit Lithium-Ionen Zellen Sicherheitstests und Transportvorschriften Sicherheitstests an Zellen Transportvorschriften Zellreaktion von Metall-Luft Zellen Eigenschaften von Metall-Luft Zellen Stand der Entwicklung und Weiterentwicklung von Metall-Luft Zellen Weitere Möglichkeiten der Energieversorgung Konkurrenz oder Kooperation: Hybridsysteme Literatur Stichwortverzeichnis Weitere Entwicklungen Dünnschichtzellen Brennstoffzellen Elektrolyse und Brennstoffzelle Arten von Brennstoffzellen Festbrennstoffzellen (SOFC) Polymermembranbrennstoffzellen (PEM) Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) Weitere Brennstoffzellentypen Mikrobrennstoffzellen Vorteile und Nachteile der Brennstoffzelle Kondensatoren Dielektrische Kondensatoren Aufbau von Kondensatoren und eingesetzte Materialien Elektrolytkondensatoren Doppelschichtkondensatoren Lithium-Schwefel Zellen Zellreaktion von Lithium-Schwefel Zellen Eigenschaften von Lithium-Schwefel Zellen Stand der Entwicklung und Weiterentwicklung von Lithium-Schwefel Zellen Metall-Luft Zellen