Moderne Akkumulatoren

Transkript

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

2 Andreas Jossen Im Feldle Leipheim Wolfgang Weydanz Chammünsterstrasse München ISBN Auflage Januar 2006 Copyright: Andreas Jossen und Wolfgang Weydanz, Leipheim und München Das vorliegende Werk ist in all seinen Teilen urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. Ein Nachdruck oder eine andere Verwertung ist nur mir ausdrücklicher schriftlicher Genehmigung der Autoren oder des Verlags gestattet. Ungeachtet der Sorgfalt, die auf die Erstellung von Text und Abbildungen verwendet wurde, kann keine Haftung für mögliche Fehler und deren Folgen übernommen werden. Die in diesem Werk wiedergegebenen Gebrauchsnamen, Handelsnamen und Warenbezeichnungen können auch ohne besondere Kennzeichnung Marken sein und als solche den gesetzlichen Bestimmungen unterliegen. Satz, Layout, Umschlaggestaltung: Philipp Küchler, Göttingen Umschlagfoto: Wolfgang Weydanz Druck: Ubooks Verlag, Hammeler Landstraße 14, Neusäß,

3 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen III Vorwort 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 Hochenergieoder 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 Leipheim Dezember 2005 Wolfgang Weydanz 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.

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5 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen V Inhalt Vorwort III 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-/Spannungs charakteristik 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 Bleiakkumulator Eigenschaften von Bleibatterien Energie- und Leistungswerte Ruhespannung Entladeeigenschaften Abhängigkeit vom Entladestrom Abhängigkeit von der Temperatur Ladecharakteristik Selbstentladung und Lagerung Alterungsmechanismen Sulfatierung Gitterkorrosion Säureschichtung

6 VI Inhalt 2.8 Sicherheit von Blei batterien Belüftung von Bleibatterien Sicherheitsmaßnahmen im Nahbereich der Batterien Weitere Vorschriften zur Sicherheit Optimaler Betrieb von Bleibatterien Wasserverlust Bildung von Kurzschlüssen (NiCd) Sicherheit von NiCd und NiMH Batterien Optimaler Betrieb von NiMH und NiCd Batterien 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 Lithiumbatterien Einleitung Markt und Anwendungen Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen Zelle Materialien für Lithium-Ionen Zellen Materialien der negativen Elektrode Lithium-Metall Amorpher Kohlenstoff Graphit Lithiumlegierungen Metalloxide Lithium-Titanat, Li 4 Ti 5 O Zusammenfassung der Materialien der negativen Elektrode Materialien der positiven Elektrode LiCoO LiNiO LiMn 2 O Li(Ni 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 Separator Stromableiter Elektrodenaufbau Separatoren Elektrolyte und Grenzflächen Elektrolyt Grenzflächen und SEI-Film Lithium-Ionen versus Lithium-Polymer Zellen Andere Lithium-Systeme

7 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen VII 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 Recycling von Batterien Vorschriften und Kennzeichnungspflicht Rücklauf und Rücknahme von Batterien Organisationen zum Batterierecycling Recyclingverfahren Trennung der Batteriearten Recycling von Bleibatterien Recycling von NiCd Batterien Recycling von NiMH Batterien Recycling von Lithium-Ionen Batterien Recycling von quecksilber haltigen Knopfzellen Vermeidung von Umweltbelastungen durch Batterien Batteriesystemtechnik 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 nach TEMIC 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 Die IUIa Ladung Wa und W0Wa Ladung Weiterentwickelte Ladeverfahren Batteriezustands bestimmung Definitionen

8 VIII Inhalt 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 Wiederladbarkeit 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 Industrieanwendungen 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 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 Verpackungsvorschriften Transportvorschriften Weitere Entwicklungen Dünnschichtzellen Brennstoffzellen Elektrolyse und Brennstoffzelle Arten von Brennstoffzellen Festbrennstoffzellen (SOFC) Polymermembranbrennstoffzellen (PEM) Direktmethanolbrennstoff - zellen (DMFC) Weitere Brennstoffzellentypen Mikrobrennstoffzellen Vorteile und Nachteile der Brennstoffzelle Kondensatoren

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

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11 Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen 1 1 Grundlagen 1.1 Einführung Die Geschichte des Akkumulators Die Entwicklung der Batterie geht auf Alessandro Volta zurück, der um 1800 entdeckte, dass ein kontinuierlicher Stromfluss zwischen zwei in einem Elektrolyten eingetauchten metallischen Elektroden möglich ist. Zu seinen systematischen Untersuchungen wurde Volta von den Berichten Luigi Galvanis, der am 6. November 1780 die Kontraktion von Froschmuskeln durch Elektrizität beobachtete, angeregt. Galvani deutete seine Versuche als Tierelektrizität, was sich aber im Nachhinein als nicht richtig erwies. Volta untersuchte zahlreiche Metalle, wobei sich Elemente aus Zink und Silber sowie aus Zink und Kupfer besonders gut eigneten. Ein solches Element bestand aus einem Becher, der mit einem Elektrolyten gefüllt war und in den die beiden Elektroden (Metallstreifen) eintauchten. Um höhere Spannungen zu erzielen, schaltete Volta mehrere dieser Becher in Serie hintereinander. Diese Anordnung wurde auch als voltascher Becherapparat bezeichnet. Bereits damals beschrieb und baute Volta Batterien in bipolarer Bauweise. Hierzu stapelte er die Elektroden abwechselnd aufeinander und fügte an jeder zweiten Position zwischen die Elektroden ein mit Elektrolyt getränktes Papier ein (voltasche Säule). Abbildung 1.1 zeigt beide Konstruktionsprinzipien. Die bipolare Bauweise (siehe auch Abbildung 1.21) findet seit einigen Jahren wieder verstärktes Interesse, da hier der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Zellen sehr klein ist. Zudem ergibt sich eine sehr homogene Stromverteilung in den Elektroden. Diese beiden Eigenschaften sind insbesondere bei Hochstromanwendungen (z.b. Elektrohybridfahrzeuge, englisch: hybrid electric vehicle, HEV) von großem Interesse. Voltas Batterien konnten jedoch nur entladen werden. Nach dem Gebrauch war ein Tausch der Elektroden und des Elektrolyten notwendig. Angetrieben von diesem Nachteil entwickelte Johann Wilhelm Ritter im Jahr 1802 die erste wiederaufladbare Batterie, die rittersche Säule. Diese Batterie, die im Aussehen der voltaschen Säule sehr ähnlich war, bestand aus übereinander geschichteten Kupfer- und Kartonscheiben, die mit Tafelsalzlösung getränkt waren. Abbildung 1.1: Voltascher Becherapparat (links) und prinzipieller Aufbau der voltaschen Säule (rechts)