Übersicht über Begriffe

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1 / Heinz Wenzl Übersicht über Begriffe Oberbegriff: Galvanische Elemente Primärzellen: Nichtwiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher Sekundärzellen/Akkumulatoren: Wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher Zelle: Die Zelle ist die kleinste elektrochemische Einheit, die technisch genutzt werden kann; Für elektrochemische Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten werden auch "Halbzellen" verwendet, bei denen jedoch immer eine Gegenelektrode verwendet werden muss, die so groß ist, dass sie sich bei der Untersuchung der Halbzelle nicht in ihrem Verhalten verändert. Es ist nicht möglich, eine Elektrode alleine ohne eine Gegenelektrode zu untersuchen. Block / Modul: Mehrere miteinander verschaltete Zellen als kleinste Produktions- oder Produkteinheit. Bei mehreren Zellen in einem Gehäuse wird von Block gesprochen. Batterie: Gruppe von Zellen, Blöcken oder Modulen: Eine Batterie hat im Normalfall in Reihe geschaltete Zellen bzw. Blöcke oder Module, damit ausreichend hohe Spannungen erreicht werden (Strang). In manchen Anwendungen werden Zellen zusätzlich auch parallel geschaltet (parallele Stränge). Insbesondere bei Lithium-Batterien werden Module oder Batteriepacks oft aus mehreren Strängen gebaut, die jeweils aus mehreren, in Reihe geschalteten Zellen bestehen. Die Bezeichnung 4s2p bezeichnet eine Batterie mit zwei Strängen (parallel) mit vier in Reihe (series) geschalteten Zellen. Batterie oder Batteriesystem: Kompletteinheit mit allen, für den sicheren und zuverlässigen Betrieb erforderlichen Zusatzkomponenten (Gehäuse, Heiz- und/oder Kühlsystem, Batteriemanagementsystem, Sicherungen, usw.) Das Ladegerät zum Wiederaufladen der Batterie wird oft nicht als Bestandteil eines Batteriesystems betrachtet. Bei mobilen bzw. portablen Batteriesystemen, bei denen das Ladegerät fester Bestandteil des Batteriesystems ist. kann es bei Vergleichen mit nichtelektrochemischen Systemen zu fehlerhaften Aussagen kommen, wenn das Ladegerät bzgl. Gewicht und Volumen nicht berücksichtigt wird. Spezifisches Energie (Wh/kg) und spezifische Leistung (W/kg) Es ist sorgfältig zu beachten, worauf sich das Gewicht bezieht. Auf eine Zelle, ein Modul oder das komplette Batteriesystem mit allen, für den Betrieb verwendeten Komponenten, ggf. inklusive Ladegerät. Die gravierenden Unterschiede bei veröffentlichten Werten für das gleiche elektrochemische System sind oft darauf zurückzuführen. Weiter ist zu beachten, wie der Energieinhalt (die an eine externe Last abgegebene Energiemenge während der Entladung) definiert ist. Generell nimmt der Energieinhalt zu, wenn die Batterie langsam entladen wird. Außerdem kann in vielen Anwendungen der Energieinhalt nicht vollständig genutzt werden, weil es sonst Nutzungs- oder Lebensdauereinschränkungen gibt. Es kann sinnvoll sein, auch diesen Aspekt im Begriff spezifische Energie bzw. Leistung zu berücksichtigen. Bei der spezifischen Leistung sind die Rahmenbedingungen der Leistungsmessung zu beachten (Dauer, Zustand der Batterie, Lade- oder Entladerichtung, etc.) Theoretische spezifische Energie: 1

2 Durch die chemische Reaktion freigesetzte Gesamtenergie (Umwandlung des gesamten Materials, ohne irgendwelche Verluste und ohne irgendwelche Zusatzkomponenten, wie Stromableiter, etc.) Der Begriff theoretische spezifische Leistung ist sinnlos. Energiedichte (Wh/l) oder Leistungsdichte (W/l) Die Anmerkungen zur spezifischen Energie und Leistung gelten auch hier. Die Begriffe theoretische Energiedichte bzw. Leistungsdichte sind sinnlos. Ragone-Diagramm und Überbrückungszeit: Das Verhältnis von spezifischer Energie (kwh) und spezifischer Leistung (kw) hat die Einheit Zeit [h] und beschreibt die Überbrückungszeit der Batterie, die Zeit, die eine Batterie Energie zur Verfügung stellen kann. Eine Darstellung der spezifischen Energie auf einer Achse und spezifischer Leistung auf der anderen (manchmal auch energie- und Leistungsdichte) heißt Ragone-Diagramm und hat ein, für alle Batterien charakteristisches Bild: Je langsamer eine Batterie entladen wird (je geringer die entnommene Leistung), desto höher ist die aus der Batterie entnehmbare Energiemenge. Positive und negative Elektrode: Bestandteile der Zelle, an denen die gebundene chemische Energie freigesetzt wird und die eigentlichen Reaktionen stattfinden. Positive Elektrode: Kathode beim Entladen (beim Laden Anode) Negative Elektrode: Anode beim Entladen (beim Laden Kathode) Um bei der Verwendung der Begriffe Kathode und Anode nicht immer die Stromrichtung angeben zu müssen, wird die begriffliche Zuordnung für die Entladerichtung festgelegt, bzw. es wird von positiver und negativer Elektrode gesprochen. Referenzelektrode: Da immer nur die Spannung zwischen den Polen (Anschlüsse an die positive und negative Elektrode) einer Zelle gemessen werden kann, werden für detailliertere Untersuchungen Referenzelektroden eingesetzt. Diese haben gegenüber dem Elektrolyten eine feste Spannungslage, die sich während des Betriebs einer Zelle im Idealfall nicht verändert, und auch keine Rückwirkungen auf die Elektroden der Zelle haben. Aktive Masse: Material, das bei der elektrochemischen Reaktion vom geladenen in den entladenen (Entladung) bzw. vom entladenen in den geladenen Zustand (Ladung) umgewandelt wird. PAM: Aktive Masse der positiven Elektrode; NAM: Aktive Masse der negativen Elektrode Elektrolyt: Ionenleitendes und für Elektronen nicht leitendes Material (Flüssigkeit, Festkörper, in Gel oder Vlies gebundene Flüssigkeit) zwischen den Elektroden; Der Elektrolyt ist eine Säure, eine Lauge oder ein, in einem Lösungsmittel gelöstes Salz; Separator: Hoch poröses Material, das mit Elektrolyt getränkt ist, um Ionen leitfähig zu sein. Der Separator verhindert, dass sich die Elektroden berühren können. Die Berührung der positiven und negativen Elektrode innerhalb einer Zelle führt zu teilweise heftigen Reaktionen (Brandentstehungsgefahr, etc.). Auf einen Separator kann nur verzichtet werden, wenn der Elektrolyt eine entsprechende Festigkeit bzw. Struktur hat. Bei Batterien kann üblicherweise nie auf einen Separator verzichtet werden, bei Brennstoffzellen hat der Elektrolyt in seiner Struktur bereits die ausreichenden mechanischen Eigenschaften und wirkt gleichzeitig als Separator. 2

3 Kapazität: Die aus einer Batterie bis zur Entladegrenze (minimal zulässiger Spannungswert) entnehmbare Strom- oder Ladungsmenge in Amperestunden (Ah); Die Kapazität eines Kondensators (engl. "Capacitance") ist As/V und muss von der Kapazität einer Batterie unterschieden werden. Spezifische Kapazität (Ah/kg) Zu beachten sind die gleichen Anmerkungen wie bei dem Begriff spezifische Energie. Die spezifische Kapazität beschreibt den Nutzungsgrad der aktiven Masse, d.h. welcher Anteil der aktiven Masse bei der Entladung wirklich verwendet wird. Der Begriff Kapazitätsdichte (Ah/l) wird nicht verwendet. Die theoretische spezifische Energie ist die, bei vollständiger Ausnutzung der aktiven Masse ohne Berücksichtigung irgendwelcher anderer Zusatzstoffe und Komponenten aus den Materialien entnehmbare Ladungsmenge. Faradaysche Zahl F: F ist das Verhältnis Mol einer Substanz (6 x Moleküle, Avogadro-Zahl) zu der Zahl der Elektronen pro Coulomb (1,6 x10 19 Elektronen). Ein Coulomb (= As) wurde von Faraday elektrochemisch gemessen als die Strommenge, die ein Milligramm Silber aus einer Silbernitratlösung abgeschieden hat. Der Wert von F beträgt As/mol oder 26,5 Ah/mol und ist die zentrale Umrechnungsgröße zwischen chemischen und elektrotechnischen Größen. Pro Reaktion werden n Elektronen (ein (z.b. Li), zwei (z.b. Blei) oder drei (Al)) bei der Entladung freigesetzt. Die theoretische, spezifische Kapazität pro Mol ist somit nf. Bezogen auf Ah 26.8, 53,6 oder 80,4 Ah/Mol) Nennspannung: Spannungswert zur Systembeschreibung. Die tatsächliche Spannung beim Laden und Entladen liegt im Bereich von ca. +/- 30 % der Nennspannung je nach elektrochemischem System. Die Nennspannung entspricht oft der durchschnittlichen Entladespannung bei einer Entladung mit üblichen Entladeströmen. Nennstrom I N, Nenntemperatur und Nennkapazität K N (C N ) charakterisieren eine Zelle/Batterie unter festgelegten Bedingungen (Nennbedingungen). Der Entladestrom wird auf eine bestimmte Kapazität bezogen: I 5 (fünfstündiger Strom) ist der Strom, mit dem in fünf Stunden die fünfstündige Kapazität K 5 entnommen werden kann (I 5 = K 5 /5h). Es ist notwendig, bei Angabe von Testbedingungen den Entladestrom immer als Vielfaches des Nennstroms anzugeben, z.b. 4 x I 20 statt I 5 (Werte sind nicht gleich) bei einer Batterie, deren Kapazität als K 20 angegeben wird, damit nicht die Kapazität als Basis für die Berechnung des Stroms verändert wird. Bei Lithium-Ionen-Batterien wird der Strom oft als C-Rate angegeben. (1C = C/1h, 2 C = C/2h). Kapazitätsangaben: K 20 (C 20 ) bezeichnet die Amperestundenmenge (Ah), die bei einer 20-stündigen Entladung der Batterie mit konstantem Strom bis zur Entladeschlussspannung entnommen werden kann. Die Angaben bzgl. Ah-Menge und Entladeschlussspannung kommen immer vom Batteriehersteller. Übliche Angaben sind K 0,25, K 0,5, K 1, K 3, K 5, K 10, K 20, K 100 oder K 240 (abhängig von der Anwendung der Batterie) Entladestrom I 20 ist der Entladestrom, der 20 Stunden lang konstant aus der Batterie entnommen werden kann, bis die Entladeschlussspannung erreicht wird. Da man ja diesen Strom nicht 3

4 kennt, ohne die Batterie mehrfach zu entladen, wird der Strom immer aus der Kapazitätsangabe des Herstellers berechnet durch: I 20 = K 20 /20h. Berechnung der Kapazität Die wirkliche Kapazität (Betriebskapazität) der Batterie wird berechnet durch Entladestrom x Entladezeit. Begrenzung der Entladung Um eine Batterie nicht frühzeitig zu schädigen, dürfen viele Batterien nicht regelmäßig vollständig entladen werden. Die Entladung muss im Betrieb also deutlich vor Erreichen der Entladeschlussspannung abgebrochen werden (z.b. wenn 80 % (Bleibatterien) oder 90 % (Lithium-Ionen-Batterien für Traktionsanwendungen) der Kapazität entnommen worden sind). Tiefentladung: Entladung über die vom Hersteller definierte Grenze (Spannung, ggf. in Abhängigkeit von der Kapazität; manchmal auch in Abhängigkeit des berechneten Ladezustands) hinaus. Überentladung: Die beim Entladen stattfindende Reaktion wird durch eine andere Reaktion mit anderen Eigenschaften) ersetzt. Ladefaktor: Verhältnis von entnommener zu eingeladener Ladungsmenge Überladung: Die beim Laden stattfindende Reaktion, die zur Speicherung von Energie führt (Hauptreaktion), wird durch eine andere Reaktion (Nebenreaktion) mit anderen Eigenschaften ergänzt bzw. ersetzt, und ist nach der Volladung die einzige noch verbleibende Reaktion. Eine Überladung kann notwendig und wünschenswert (wässrige Elektrolyte), unmöglich (NaS oder NaNiCl) oder zerstörend (Lithium-Ionen-Batterien) sein. Bei Batterien mit wässrigem Elektrolyt wird der Nebenreaktionsstrom auch als Gasungsstrom bezeichnet, weil er zu einer Zersetzung von Wasser und Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff führt. Ladeerhaltungsbetrieb: Batterie wird dauerhaft im vollgeladenem Zustand gehalten. Eine Entladung der Batterie im Betrieb ist nicht vorgesehen. Bereitschaftsparallelbetrieb: Die Batterie ist direkt oder über einen DC/DC-Wandler mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden, der von einem Gleichrichter gespeist ist und an den Lasten angeschlossen sind. Die Entladung der Batterie erfolgt nur bei Ausfall des Netzes bzw. des Gleichrichters, oder wenn (selten und kurzfristig) der Gleichrichter nicht in der Lage ist, die von den Lasten bezogene Leistung bereitzustellen (Leistungsbegrenzung des Gleichrichters, Regelungsgeschwindigkeit) Pufferbetrieb: Wie Bereitschaftsparallelbetrieb, aber mit kurzen Entladungen im Betrieb bei kurzfristigen hohen Leistungsbezug der Lasten, bzw. bei Netzausfall. Zyklischer Betrieb: Batterie wird ständig ent- und geladen. Ladekennlinien: Ws gibt sehr viele unterschiedliche Ladekennlinien. Am häufigsten sind Ladekennlinien mit einem konstanten Strom bis zu einer vorgegebenen Klemmenspannung der Batterie, gefolgt von einer konstanten Spannung, die entweder dauerhaft beibehalten wird, oder bei Erreichen eines bestimmten Stromwerts abgeschaltet wird. Die Ladekennlinie wird als IU 4

5 oder CC&CV (englischer Sprachgebrauch; constant current / constant voltage) bezeichnet. Vollladezustand: Vollständige Umwandlung des entladenen Materials in geladenes Material, sowie Beseitigung aller, beim Entladen und Laden entstandenen Effekte (Inhomogenitäten, Passivierungsschichten, usw.) Die Volladung in diesem Sinne ist nur bei Batterietechnologien möglich, bei denen es nicht-zerstörerische Nebenreaktionen bzw. ein, auf Zellebene arbeitendes Batteriemanagement bzw. Ladesystem gibt. Die messtechnische Feststellung des Volladezustandes ist nicht einfach. Selbstentladung (Stillstand ohne Ladeerhaltung): interne Umwandlung von geladenem in entladenes Material (weitgehend reversibler Teil) und irreversible Änderungen, die die Kapazität permanent verringern. Die folgenden Begriffe erfordern eine umfangreiche Diskussion und können hier nicht abschließend erläutert werden. Ladezustand (SOC = state of charge): Verhältnis der unter Nennbedingungen entnehmbaren Ladungsmenge zu der Ladungsmenge, die bei einer vollgeladenen Batterie unter Nennbedingungen entnommen werden kann (Angabe in Prozent). Entladetiefe (DOD = depth of discharge): 1 - SOC (Angabe in Prozent) State of health (SOH): Reduzierung der entnehmbaren Kapazität gegenüber einer neuen Batterie State of function (SOF): Fähigkeit einer Batterie, die geforderte Funktion im aktuellen Zustand zu erfüllen, z.b. einen Verbrennungsmotor unter den gegebenen Bedingungen zu starten. 5