Das HDT (Haus der Technik) bietet zahlreiche Seminare und Tagungen zur Weiterbildung im Bereich E-Fahrzeug, Elektromobilität und Batterietechnik an Zielgruppe sind meist Ingenieure aber auch Sicherheitsfachleute und verantwortliche Mitarbeiter für Transport und Lagerung von Batterien, die Themen beinhalten folgende Aspekte: Traktionsmotoren - Design, Optimierung und Analyse, Elektromobilität: Normen und Standards, Hochvolt-Bordnetz in Elektro- und Hybridfahrzeugen, Elektrifizierung und Hybridisierung von Fahrzeug-Antriebssträngen, Crashanforderungen und Sicherheitskonzepte für Elektrofahrzeuge, Mittel- und Hochvoltbordnetz (12V, 48V, HV) im Automobil, Elektrische Antriebe für Maschinenbau- und Fahrzeugbauingenieure, Vibrationen und Geräusche (NVH) von elektrischen Antrieben, Lithiumbatterien - Versand und Lagerung , Elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungen, Leistungselektronik, Sichere Lithium-Ionen Batterien im Automobil, Thermomanagement von Lithium-Ionen Batterien, Basiswissen Batterien, Prüfen von Ladestationen, Systeme zum elektrischen Fahren für Maschinen- und Fahrzeugbauingenieure, Elektromobilität im ÖPNV, Batteriemanagementsysteme (BMS) für Automotiveanwendungen, Batterien der nächsten Generation: Chancen und Herausforderungen, Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen-Zellen, Grundlagen Elektromobilität und Ladeinfrastruktur, Hochvolt Bordnetz in Elektro- und Hybridfahrzeugen, Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge, Thermal Runaway und thermische Propagation bei Lithium-Ionen-Batterien, Systemverständnis Elektromobilität, Lithium Ionen Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Digitale Zwillinge in der Batteriezellenproduktion, Elektromobilität für Unternehmen, Grundlagenkurs Lithium-Ionen Batterien für Elektrofahrzeuge, Performance und Alterungsdiagnostik moderner Batteriesysteme (E-Fahrzeug, Stationäre Speicher), Batterien richtig prüfen und testen, Green Batteries through Computational Life Cycle Engineering, Thermisches Verhalten von Lithium-Ionen Batterien, Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen, eehe - Elektrik & Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement , Umgang mit Hochvolt-Fahrzeugen bei Rettungsarbeiten, Spannungswandler (DC-DC, AC-DC) in der Automobilelektronik, Induktives Laden, bidirektionales Laden, Vehicle to Grid , Klimatisierung von Elektrofahrzeugen, Grundlagen Elektromobilität und Ladeinfrastruktur, Elektromobilität im Überblick – Batterie, Leistungselektronik, Elektromotor, Ladeinfrastruktur, Sicherheit.
Als Elektroauto (E-Auto) wird ein durch einen Elektromotor angetriebenes Auto bezeichnet. Auch Wasserstoffautos sind Elektrofahrzeuge. Aufgrund der schlechten Wirkungsgrade bei der Herstellung wird die Wasserstoffantrieb zuerst bei schweren Fahrzeugen (LKW) bzw. Schiffen eine wichtige Rolle spielen. Falls grüner Strom im Übermaß vorliegt, kommt auch der Wasserstoffantrieb schnellen. In den letzten Jahren erfährt das Elektroauto wieder gesteigerte Aufmerksamkeit. Elektroautos werden vor allem nach dem Konzept kategorisiert und benannt, wie dem Elektroantrieb die notwendige elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird. Fast immer wird die Antriebsenergie in Form von aufladbaren Akkumulatoren im Fahrzeug mitgeführt.
Der Elektroantrieb ist dem weit verbreiteten Antrieb mit Verbrennungsmotor in vielen Eigenschaften überlegen. Dazu zählen beispielsweise der viel höhere Wirkungsgrad sowie die vorteilhafte Drehmoment- und Leistungscharakteristik des Elektromotors, der zumeist einfachere Aufbau des Antriebsstrangs und die fast vollständige lokale Emissionsfreiheit in Bezug auf Schadstoffe und Lärm. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren verfügen aktuell ausgeführte Elektrofahrzeuge jedoch zumeist über erheblich geringere Reichweiten. Dies ist in erster Linie auf die vergleichsweise geringeren Energiemengen zurückzuführen, die beim derzeitigen Stand der Technik in Energiespeichern mitgeführt werden können. An besseren Energiespeichern wird zurzeit intensiv geforscht. Für die Fahrzeughersteller hat die Entwicklung hin zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs erhebliche Auswirkungen. Es wird vermutlich in Zukunft Fahrzeuge für unterschiedliche Anwendungsbereiche geben. In der Stadt wird sicherlich kein Auto mit schwerer Batterie und Reichweiten von mehr als 70 oder 100 km benötigt.
Für Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge und elektrische Antriebssysteme sind Energiespeicher eine zentrale Komponente in Bezug auf Kosten, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Ein grundlegendes Verständnis über Batterietechnologien, Super-Caps und Brennstoffzellen sowie Managementsysteme und Simulationsmodelle ist die Grundlage für erfolgreiche Produktentwicklungen. Die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes von modernen Autos steigen kontinuierlich. Im Gesamtkonzept spielt der Speicher für elektrische Energie die zentrale Rolle. Während vollelektrische Konzepte immer stärker an Bedeutung gewinnen (besonders Dank der strengeren weltweiten Umweltauflagen hinsichtlich CO2 -Flottenverbrauch) ergeben sich durch teil- und vollhybride Antriebssysteme ebenfalls neue Anforderungen für die Energiespeicher.
Das Haus der Technik bündelt auf dieser Seite seine Seminare zum Thema Batterie. Bereits seit vielen Jahren zählt das Haus der Technik mit seinem Seminarangebot im Bereich Batterietechnik zur ersten Adresse in Deutschland. Besonderen Wert wurde dabei immer auf einen hohen Praxisbezug gelegt. Für die weitere Elektrifizierung des KFZ sind Batterien und damit die Entscheidung mit welcher Spannung das zukünftige Bordnetz versorgt (12V oder 48V) wird, von entscheidender Bedeutung. Aber auch für die weitere Entwicklung der Elektrofahrzeuge ist die Verbesserung der Kapazität und die Reduzierung der Kosten ganz wesentlich. Egal ob sie Basiswissen zur Batterie suchen oder aber bereits sehr im Detail sich auskennen, bei uns finden sie stets das richtige Seminar. Holen Sie sich Batterie Know-how bei unseren Batterieseminaren (auch als Webseminare online).
Hier die Vorteile auf einen Blick: seit mehr als 30 Jahren Erfahrung im Bereich Batterietechnik erfahrene Referenten aus der Praxis positives Feedback der anderen Seminarteilnehmer speziale Angebote für Einsteiger und für Fortgeschrittene Praxisseminare mit Besichtigung eines der führenden Batterieforschungszentren, dem ISEA in Aachen und dem MEET in Münster. Kooperation mit den wichtigsten Partnern aus der Batterieforschung in Deutschland Ausrichter der größten Batterietagung in Deutschland, der Tagung Kraftwerk Batterie (www.battery-power.eu) Spezialangebote wie Impedanzspektroskopie an Batterien, Simulation in der Batterietechnik, Lithium Schwefel Batterie u. a.
HDT-Batterie-Know-how Im Mittelpunkt des Weiterbildungsprogramms des HDT im Bereich Batterietechnik/Automotive stehen unter anderem die folgenden (Zukunfts-)fragen:
Die Zukunft der Batterieentwicklung für Elektroautos: Neue Technologien im Fokus Lithium-Ionen vs. Feststoffbatterien: Welche Technologie setzt sich durch? Effizienzsteigerung bei Elektroauto-Batterien: Aktuelle Fortschritte und Innovationen Elektroauto-Batterien 2024 und danach: Welche Entwicklungen erwarten uns? Kostenreduktion in der Batterieproduktion: Wie Elektroautos erschwinglicher werden Schnellladen ohne Kompromisse: Revolutionäre Entwicklungen bei Elektroauto-Batterien Recycling von Elektroauto-Batterien: Nachhaltigkeit im Fokus Wie neue Materialien die Leistung von Elektroauto-Batterien verbessern Die Rolle der Forschung bei der Weiterentwicklung von Elektroauto-Batterien Elektroauto-Batterien und ihre Umweltbilanz: Fortschritte und Herausforderungen Innovative Ansätze zur Verlängerung der Lebensdauer von Elektroauto-Batterien Wie die Automobilindustrie die Batterieentwicklung vorantreibt Neue Ladeinfrastrukturen und deren Einfluss auf die Batterieentwicklung Batterieentwicklung für Elektroautos: Staatliche Förderungen und Investitionen Die Bedeutung von Energiemanagementsystemen für moderne Elektroauto-Batterien Wie deutsche Unternehmen die Batterieentwicklung für Elektroautos prägen Patente und Innovationen: Wer führt bei der Elektroauto-Batterieentwicklung? Von der Forschung ins Fahrzeug: Der Weg neuer Batterietechnologien Sicherheitsaspekte bei der Entwicklung von Elektroauto-Batterien Globale Trends in der Batterieentwicklung für Elektrofahrzeuge Die Zukunft der E-Mobilität: Wie Batterieentwicklungen sie beeinflussen Batteriezellfertigung in Europa: Chancen und Herausforderungen Start-ups und ihre Rolle bei der Innovation von Elektroauto-Batterien Elektroauto-Batterien im Winter: Neue Entwicklungen für bessere Leistung Verschiedene Ladezyklen und ihre Auswirkungen auf die Batterielebensdauer Die Integration von Solarenergie in die Batterieentwicklung für Elektroautos Wie künstliche Intelligenz die Entwicklung von Elektroauto-Batterien beschleunigt Wasserstoff vs. Batterien: Welche Technologie hat die Nase vorn? Die Rolle von Big Data in der Optimierung von Elektroauto-Batterien Elektroauto-Batterien: Der Weg zur Massentauglichkeit und was noch fehlt
Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen zum Thema Batterien Warum sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell so zentral für die Automobilindustrie? Bernd Hömberg: Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die leistungsfähigste und effizienteste Speichertechnologie für Elektrofahrzeuge. Sie bieten ein gutes Verhältnis von Energiedichte, Gewicht und Lebensdauer – drei entscheidende Faktoren für die Elektromobilität. Ohne diese Technologie wäre der Wandel hin zur E-Mobilität in der heutigen Form kaum möglich.
Welche Rolle spielen sie im Vergleich zu anderen Batterietechnologien? Bernd Hömberg : Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt. Alternative Technologien wie Festkörperbatterien oder Natrium-Ionen-Batterien befinden sich noch in der Entwicklung oder sind nicht wettbewerbsfähig hinsichtlich Energiedichte und Produktionskosten. Lithium-Ionen-Zellen bieten das beste Gesamtpaket für Serienfahrzeuge.
Wie beeinflusst die Batterieentwicklung das Design und die Architektur moderner Fahrzeuge? Bernd Hömberg : Enorm. Die Batterie ist mittlerweile ein zentrales Element der Fahrzeugarchitektur. Viele Hersteller entwickeln spezielle Skateboard-Plattformen, bei denen die Batterie im Fahrzeugboden integriert ist. Das verändert Radstand, Schwerpunkt und Raumnutzung – und erfordert ein Umdenken im Fahrzeugdesign.
Wie steht es um die Rohstoffverfügbarkeit, insbesondere Lithium, Kobalt und Nickel? Bernd Hömberg : Die Verfügbarkeit ist ein kritischer Punkt. Lithium ist zwar auf der Erde reichlich vorhanden, aber die Abbaumethoden und die Lieferketten sind herausfordernd. Ähnlich bei Kobalt, das vor allem aus politisch instabilen Regionen stammt. Die Industrie arbeitet deshalb an Recyclingmethoden, alternativen Zellchemien und langfristigen Lieferverträgen.
Welche Fortschritte gibt es bei der Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien? Bernd Hömberg : Es gibt viele Initiativen: nachhaltigere Gewinnung von Rohstoffen, CO₂-neutrale Zellproduktion, und geschlossene Recyclingkreisläufe. Auch Second-Life-Konzepte, bei denen Batterien nach dem Fahrzeugleben in stationären Speichern weiterverwendet werden, gewinnen an Bedeutung.
Wie entwickelt sich die Reichweite von E-Fahrzeugen dank besserer Batterien? Bernd Hömberg : Die durchschnittliche Reichweite liegt heute bei rund 400 bis 600 Kilometern. Neue Zelltechnologien ermöglichen Reichweiten über 800 Kilometer. Parallel dazu verbessern sich auch Ladezeiten und Ladeinfrastruktur, was Reichweitenängste weiter reduziert.
Welche Bedeutung hat die Batterie für die Kostenstruktur von Elektroautos? Bernd Hömberg : Die Batterie ist der teuerste Einzelposten – sie macht etwa 30 bis 40 Prozent der Gesamtkosten eines E-Fahrzeugs aus. Die Skalierung der Produktion und sinkende Materialkosten haben die Preise pro Kilowattstunde in den letzten Jahren aber deutlich gesenkt.
Wie verändert sich durch Batterien die Wettbewerbslandschaft in der Automobilindustrie? Bernd Hömberg: Klassische Automobilhersteller konkurrieren nun mit neuen Playern wie Batterieherstellern, Tech-Unternehmen und Start-ups. Wer beim Thema Batterietechnologie nicht mithalten kann, wird langfristig Marktanteile verlieren. Gleichzeitig entstehen neue Partnerschaften und Joint Ventures.
Wie sieht die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterie aus? Gibt es ein „Ende der Fahnenstange“? Bernd Hömberg : Die Technologie ist noch nicht ausgereizt. Es gibt laufend Verbesserungen bei Zellchemie, Energiedichte und Lebensdauer. Aber langfristig könnten Festkörperbatterien oder andere Technologien die Lithium-Ionen-Technologie ablösen – das wird aber frühestens in den 2030er-Jahren marktreif sein.
Was sind aus Ihrer Sicht die größten Herausforderungen in den kommenden Jahren? Bernd Hömberg : Zum einen die Absicherung stabiler Lieferketten und Rohstoffversorgung, zum anderen der Aufbau nachhaltiger Batterieproduktion in Europa. Auch das flächendeckende Recycling und die Qualifizierung von Fachkräften im Bereich Batterietechnologie sind zentrale Zukunftsthemen.
Batterie-Begriffe Im allgemeinen Sprachgebrauch werden auch Einzelzellen als Batterie bezeichnet. Physikalisch werden Batterietypen in Primärelemente und Sekundärelemente unterschieden. Primärelemente nutzen die Erscheinung der Redoxreaktion und sind nach Ablauf der inneren chemischen Reaktion, bei der die elektrische Energie frei-gesetzt wird, prinzipiell nicht wiederaufladbar. Eine wiederaufladbare Batterie ist ein "Sekundärelement" und wird üblicherweise als Akku (von Akkumulator) bezeichnet. Industriell sehr wichtig sind die Bleiakkumulatoren, die in Autos verwendet werden. Die Einsatzfelder von Batterien wachsen ständig. Die steigenden Anforderungen von Computern und Maschinen an die Qualität der Stromversorgung, die potentiell riesigen Kosten beim Ausfall von Stromversorgungen und die Markteinführung von Hybridfahrzeugen mit elektrischem Zusatzantrieb lassen ein weiteres überdurchschnittliches Wachstum erwarten. Außerdem steigt die Zahl batterie-gestützter autonomer Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energiequellen weiter an. Die durch frühzeitigen oder unerwarteten Ausfall von Batterien verursachten Folgekosten und Kosten der Ersatzbeschaffung sind hoch. Bleibatterien sind in industriellen Anwendungen mengen- und umsatzmäßig führend.
Wiederaufladbare Lithium-Batterien setzen sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie und der auch hohen spezifischen Leistungen im Bereich mobiler Anwendungen immer mehr durch. Durch die Verwendung verschiedener Materialien können die Eigenschaften in einem weiten Bereich verändert werden. Hierdurch werden Lithium-Batterien immer weiter optimiert und es ist davon auszugehen, dass sie in den nächsten zwei Jahren auch zunehmend im Automobil zum Einsatz kommen.
Wirkungsgrad Im Allgemeinen wird der Wirkungsgrad einer Energieumwandlung bzw. –speicherung immer als Quotient von verfügbarer und gespeicherter Energie angegeben. Bei Batterien unterscheidet man den coulombschen (η_(Ah)), den voltaischen (η_U) und den energetischen Wirkungsgrad. (η_(Wh)) (1)
Treten zusätzliche Nebenreaktionen wie interne Kurzschlüsse (auch Mikrokurz-schlüsse genannt) oder eine Zunahme der Gasungsreaktionen, die ein Abfließen des Stroms verursachen, auf, so sinkt der coulombsche Wirkungsgrad. Er berücksichtigt jedoch keine Spannungsverluste, welche beispielsweise durch den ohmschen Innenwiderstand oder die Durchtrittsspannung verursacht werden. (2)
Der energetische Wirkungsgrad (η_(Wh)) hingegen bezieht sich auf den Quotienten von entnehmbarer und geladener Energie, falls diese Größen in Wattstunden angegeben sind.
Je kleiner der Wirkungsgrad wird, desto ineffizienter arbeitet die Batterie und desto mehr Wärme wird emittiert. Dies hat zur Folge, dass eine aufwändigere Kühlung gewährleistet werden muss und die spezifischen Kosten der Batterie ansteigen. (1) Da die Batterie-Charakteristiken nicht linear ablaufen sind die beiden Wirkungsgrade nicht identisch. (3)
Der Ladefaktor ist ein dimensionsloser Wert, welcher den Wirkungsgrad beim La-den einer Batterie darstellt. (4)
Der voltaische Wirkungsgrad, oder auch Spannungswirkungsgrad genannt, berücksichtigt ausschließlich die auftretenden Spannungsverluste in der Batterie. (2) An der Veränderung des Wirkungsgrades kann abgelesen werden, wie sich die Leistungsfähigkeit der Batterie über die Zeit verändert. (1)
Abhängigkeit des Wirkungsgrades Im Allgemeinen kann man sagen, dass der Wirkungsgrad immer abhängig von der Spannungslage, dem verwendeten Ladeverfahren sowie dem Entladestrom ist. Durch beispielsweise höhere Stromstärken, tiefere Temperaturen oder zunehmen-dem Alter der Batterie werden größere Ohmsche Verluste in der Batterie bewirkt. Aus diesem Grund werden bei der Entladung niedrigere und bei der Aufladung höhere Spannungswerte erzielt, welche zu einer Abnahme des Wirkungsgrads führe. (1) (2)
Literaturverzeichnis
Theoretische und praktische Energiedichte Die Energiedichte ist ein Maß für die in einer Batterie oder Zelle gespeicherten Energiemenge. Sie ist ein bedeutsames und zentrales Bewertungskriterium für elektrochemische Energiespeicher, insbesondere für den mobilen Einsatz wie bei Elektrofahrzeugen oder Laptopakkumulatoren, da sie Gewicht und Volumen der einzusetzenden Batterie wesentlich beeinflusst. Es wird die volumetrische und die gravimetrische Energiedichte unterschieden. (1) (2)
Theoretische Energiedichte Es existiert ein theoretischer maximaler Grenzwert für die Energiedichte, der durch die Potentialdifferenz und die maximal in einem Molekül bzw. Atom speicherbare Ladungsmenge bestimmt wird. Jedes Molekül bzw. Atom kann nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen, also Elementarladungen, aufnehmen. Die theoretische Obergrenze der Energiedichte definiert sich demnach aus dem Produkt von der Lademenge, bestimmt durch das Produkt von Anzahl n an Elementarladungen und der Elementarladung selbst, pro Molekül und der Spannung. Das Ergebnis wird dann in Verhältnis zu dem Gewicht des entsprechenden Moleküls gesetzt. Dieses Verhältnis ergibt genau die spezifische gravimetrische Energiedichte. (3)
In der Praxis kann jedoch dieser theoretische Maximalwert nicht erreicht werden, sondern die tatsächliche praktische Energiedichte ist deutlich geringer. Begründet werden kann dies dadurch, dass zu dem eigentlichen Gewicht des Materials zusätzlich das Gewicht bzw. Volumen der passiven Materialien, wie Stromsammler, Elektrolyt, Separator, Gehäuse usw. aufaddiert werden muss. Diese passiven Materialien tragen zwar zum Gewicht bzw. Volumen der Batterie bei, jedoch nicht zur eigentlichen Energiespeicherung. Außerdem wird in der Regel nur ca. 50% der ge-samten Aktivmasse für die eigentliche Energiespeicherung verwendet. Der restliche Anteil wird als Matrix benötigt. Eine Faustformel zur Bestimmung der praktischen Energiedichte besagt, dass diese im Durchschnitt ungefähr ein Drittel der theoretischen Energiedichte entspricht. Dies ist jedoch kein konstanter Wert, sondern ist stark anhängig von den jeweils verwendeten Materialen. So kann bei einer LithiumIonen Batterie von einer praktischen Energiedichte bis zu 50% der theoretischen Energiedichte ausgegangen werden, bei einer Bleibatterie jedoch nur von ca. 25%. (3)
Literaturverzeichnis
Entladung und Entladungsregime Während der Entladung fließen Elektronen von der Anode über den Verbraucher zu der Kathode der Batterie. Auf Grund der Oxidation des Anodenmaterials werden permanent Elektronen nachgeliefert. An der Kathode werden die ankommenden Elektronen von den positiven Ionen der Elektrolytlösung angezogen und reduzieren diese dann. Der Stromfluss in der Batterie wird auf Grund des Ionenaustauschs über den Elektrolyten ermöglicht. (1)
Die Konstantstromentladung bedingt, wie der Name schon sagt, eine Entladung mit gleich bleibender Stromstärke. Die Spannung nimmt dabei mit fortschreitender Entladung ab. Auf Grund der Gesetzmäßigkeit der Leistungsdefinition P=U*I verringert sich daher auch die Leistung. (2)
Literaturverzeichnis
Ruhespannung Die Ruhespannung beschreibt die Spannung einer Batterie, welche an den Batterieklemmen gemessen werden kann, wenn gerade kein Strom anliegt und alle inneren Ausgleichsvorgänge beendet sind. (1) (2) Im vollgeladenen Zustand ist diese Spannung am größten. Beginnt nun die Entladung und ein Strom wird angelegt, so resultiert ein direktes sprunghaftes Absinken der Spannung auf Grund der Spannungsverluste, die durch die ohmschen Anteile einer Batterie verursacht werden. Wird der Strom nach der Entladung wieder abgeschaltet, so vergrößert sich die Spannung wieder sprunghaft und die Ruhespannung im entladenen Zustand ist er-reicht.
Allgemein kann demnach definiert werden, dass die Ruhespannung eine gewisse Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie aufweist. Je weiter die Entladung der Batterie fortschreitet, desto mehr sinkt die Ruhespannung U=f(DOD) der Batterie ab. Da die in der Batterie speicherbaren Energiemenge von der Spannung der Batterie bestimmt wird, definiert die Ruhespannung also genau die maximal entnehmbare Energiemenge. Jedoch wird in der Realität auf Grund der bereits erwähnten ohmschen Spannungsverluste nur ein geringerer Wert erzielt. (3)
Literaturverzeichnis
Kapazität einer Batterie Die Kapazität definiert die entnehmbare Strommenge einer Batterie in Amperestunden, welche durch den Quotienten aus der konstanten Entladestromstärke I [A] und der Entladezeit t [h] mit K=I*t [Ah] bestimmt wird. (1) Sie ist also ein Indikator für die in einer Batterie gespeicherte Lademenge. (2) Die Entladezeit ergibt sich aus der Zeitspanne zwischen Entladebeginn und dem Erreichen der Entladegrenze. Die Entladegrenze wird durch eine definierte Entladeschlussspannung festgelegt. Ist diese erreicht, wird der Batterie keine Kapazität mehr entnommen. (3)
Mit der Nennkapazität wird die Batterie vom Hersteller ausgezeichnet. (3) Diese er-gibt sich bei der Entladung unter bestimmten Normbedingungen, nachdem die Bat-terie bei 20°C ± 0,5 vorschriftsmäßig vollgeladen wurde. Die genauen Ent- und Beladebedingungen sind in verschiedenen Normen definiert und müssen für die Bestimmung der Nennkapazität streng eingehalten werden. (1) Oftmals wird die Nenn-kapazität direkt mit definierten Entladebedingungen angegeben wie beispielsweise mit der ZeitdauerK_5=100Ah, welches eine Entladung von 5 Stunden mit 20 Ampere beschreibt. (2) Die Nennkapazität bleibt während der Lebensdauer einer Batterie nicht konstant, sondern nimmt auf Grund von Alterung und anderen Einflüssen ab. Wird der Ladezustand demnach in Bezug auf die Nennkapazität angegeben, so ist es möglich, dass mit zunehmendem Alter einer Batterie auf Grund der sinkenden Nennkapazität ein Ladezustand von „null Prozent“ nicht mehr erreicht werden kann. (3)
Literaturverzeichnis
Batterieklemmspannung Die Batterieklemmspannung setzt sich aus der Gleichgewichts-, Widerstands-, Re-aktions- und Diffusionsspannung zusammen:
UBatterie = UGleichgewicht + UWiderstand + UReaktion + UDiffusion
Die Gleichgewichtsspannung (UGleichgewicht) ergibt sich aus der Potentialdifferenz der Aktivmassen und wird oft auch als Leerlaufspannung bezeichnet. (1) Sie stellt eine Funktion der Elektrolytkonzentration und der Temperatur dar und hängt stark vom Ladezustand der Batterie ab. (2) Diese Spannung ist, abgesehen von Nebenreaktionen, der Ruhespannung gleichzusetzen. Die Unterschiede sind in der Regel aber vernachlässigbar gering. (3)
Literaturverzeichnis
Aufbau Batteriezelle Einleitung Batterien sind elektrochemische Energiewandler bzw. Energiespeicher, dessen Funktionsweise auf die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt basiert. (1)
Elektroden In einer Batterie existieren ein Minuspol, die so genannte Anode, und ein Pluspol, die sogenannte Kathode. (3) Im Kern dieser beiden Elektroden befindet sich ein Stromableiter bzw. Stromsammler. Die Stromableiter sind dabei wichtige passive Systemelemente der Batterie, d.h. sie tragen keinen aktiven Beitrag zur Speiche-rung des Stroms in der Batterie bei, werden jedoch für den Aufbau benötigt. Wichtige Eigenschaften der Stromleiter sind vor allem chemische Stabilität und ein geringer Innenwiderstand, so dass ein verlustfreies leiten des Stroms gewährleistet wer-den kann. Die eigentliche Elektrode umgibt den jeweiligen Stromleiter. (4) Dieses Material wird als Aktivmasse bezeichnet in der die eigentlichen elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die beiden Elektroden in einer Batterie bestehen immer aus verschiedenen Materialien welche ungleiche Potentiale aufweisen. Nur so kann eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden resultieren, welche die Spannung an den Batteriepolen verursacht. (5)
Elektrolyt Die Elektroden befinden sich, wie schon erwähnt, in einem Elektrolyten, dessen wesentliche Aufgabe der Transport von Ionen von der einen auf die andere Elektro-de ist. (4) Der Elektrolyt ist meistens ein flüssiges Medium, kann jedoch auch fest oder geliert sein. (6) Er bestimmt wesentlich die elektrischen Eigenschaften der Batterie. Der Widerstand des Elektrolyten steigt mit sinkender Temperatur erheblich an, welches zum Beispiel bei Startproblem des Automotors im Winter beobachtet wer-den kann. Auf Grund der Erhöhung des Widerstands kann kein Ionenaustausch mehr zwischen den Elektroden stattfinden und der Stromkreis ist so nicht geschlos-sen (4).
Separator Das Systemelement Separator verhindert den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden, denn würden diese sich berühren, hätte das einen Kurzschluss zur Folge und die Batterie würde sich schlagartig selbst entladen. Außerdem würde so gleiches Potential auf beiden Elektroden hergestellt werden, welches die Batte-rie unbrauchbar machen würde (4).
Literaturverzeichnis
Helmholtzschicht In einer Batterie entsteht nach Anlegen der Spannung ein elektrostatisches Feld zwischen den beiden Elektroden. Dieses bewirkt, dass die Anionen zur Arbeits-elektrode und die Kationen in die entgegengesetzte Richtung wandern bis das äu-ßere Feld kompensiert ist. (1) An der negativen Elektrodenoberfläche entsteht da-her eine Akkumulation der positiv geladenen Ionen. Somit entsteht an der Grenz-schicht zwischen Elektrolyt und Elektrode eine elektrische Doppelschicht aus zwei parallelen Ladungsschichten, der elektronischen Ladung in der Elektrode und der ionischen Ladung im Elektrolyt. (2) Diese elektrische Doppelschicht ist unter der Bezeichnung Helmholtzschicht bekannt.
Im Prinzip ist die Helmholtzschicht wie ein Kondensator aufgebaut, bei dem die eine Platte durch die elektronische Ladungsschicht und die andere durch die ionische Ladungsschicht dargestellt wird. Das sich dabei ausbildende elektrische Feld kann als konstant angenommen werden, da der Potentialverlauf zwischen den Plat-ten linear ist. Die Schicht ist relativ fest gebunden und wird daher auch als „starre Doppelschicht“ bezeichnet. Außerdem existiert eine enorme elektrische Feldstärke innerhalb der Schicht, weswegen sich diese wie ein Plattenkondensator mit sehr hoher Kapazität verhält. (1) (2)
Literaturverzeichnis
Gasung in der Batterie Die Gasung ist eine in der Batterie ablaufende Nebenreaktion, welche stattfindet sobald ein flüssiger wässriger Elektrolyt vorliegt. Dies ist beispielsweise bei Blei-, NiCd- und NiMH-Akkumulatoren der Fall, gilt jedoch nicht für Lithium-Ionen Batterien. Sobald ein wässriger Elektrolyt in der Batterie vorhanden ist, wird das in der Batterie befindliche Wasser auf Grund gewisser Reaktionen zersetzt. An der negativen Elektrode nehmen die Protonen aus dem Elektrolyten Elektronen auf, welche dann Wasserstoffgas bilden. An der positiven Elektrode hingegen wird das Wasser zersetzt, woraus sich dann Sauerstoffgas bildet und Protonen freigesetzt werden. Diese Protonen diffundieren dann durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. Insgesamt wird in der Batterie also das Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Die ablaufenden Reaktionen sind in den folgenden Reaktions-gleichungen noch einmal dargestellt:
Die Reaktionen an der negativen und positiven Elektrode beginnen bereits ab einer Spannung von 1,23 V. Da diese Bedingungen in herkömmlichen Batterien schnell erreicht sind, müssen die Gasungsreaktionen durch die Wahl geeigneter Materialien reduziert werden. Die Probleme, welche die Gasung verursacht, sind sowohl der Energie- und Wasserverlust, als auch das Austreten des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches. Dieses Gemisch stellt ein explosives Gasgemisch dar, wel-ches bei bestimmten Konzentrationen in der Luft zündfähig ist. (1)
Geschlossene Batterie Aus diesen Gründen wurden in der Vergangenheit neben den geschlossenen Bat-terien auch verschlossene Batterien entwickelt. Die geschlossenen Batterien bein-halten einen flüssigen Elektrolyten und können als „offenes“ System angesehen werden. Dies bedeutet, dass in der Batterie gebildetes Gas diese verlassen kann und in die Umgebung austritt. Daher werden hohe Anforderungen an die Belüftung der Batterieräume gestellt, um eine Bildung von zu hohen Gaskonzentrationen zu vermeiden. Das Wasser in der Batterie wird manuell von Zeit zu Zeit nachgefüllt. Dieser Prozess verursacht zusätzliche Kosten für den Batteriebetrieb. Außerdem müssen für den Transport- und die Lagerung bestimmte Vorschriften und Anforderungen erfüllt werden. (2) (1)
Verschlossene Batterie Die verschlossenen Batterien haben, wie der Name schon sagt, keine Öffnung durch die Gas in die Umgebung entweichen kann. Sie verfügen jedoch über ein Überdruckventil, welches sich bei einem Druck von ca. 100 mbar öffnet und danach wieder selbstständig schließt. (2) Des Weiteren beinhalten sie im Gegensatz zur geschlossenen Batterie keinen flüssigen Elektrolyten, sondern ein Gel oder Vlies. (1) Der an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff kann über Gaskanäle, gebildet durch Mikroporen, zur negativen Elektrode wandern und wird dort wieder zu Wasser reduziert. Dieser Prozess wird auch als „Sauerstoffkreislauf“ bezeichnet und ist im Bild unten dargestellt. (2)
In der Batterie wird somit also kein Gas gebildet, welches diese verlässt. Jedoch fin-det wie bei den geschlossenen Batterien ein gewisser Anteil an Energieverlusten statt, die durch die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht wer-den. (1)
Literaturverzeichnis
Thermodynamisches Gleichgewicht Die Thermodynamik beschreibt Systeme im Gleichgewichtszustand. Bei elektroche-mischen Systemen ist dies genau dann gegeben, wenn kein Stromfluss vorhanden ist, also wenn die Batterie nicht entladen noch geladen wird. Hier wird somit der Ruhezustand einer Batterie oder Zelle betrachtet, wenn die Selbstentladung der Batterie außer Acht gelassen wird. In diesem Zustand liegt an der Batterie eine ge-wisse Ruhespannung, auch Gleichgewichtsspannung und Leerlaufspannung genannt (engl.: Open Circuit Voltage OCV), an, welche sich aus den Grundgleichungen der Thermodynamik berechnen lässt. (1) (2)
Die Energie eines Systems in der Thermodynamik wird als Enthalpie H bezeichnet. Diese entspricht in elektrochemischen Systemen der in den chemischen Verbindungen gespeicherten Energie. Die freie Enthalpie G, oft auch als „Gibb’sche freie Energie“ bezeichnet, beschreibt genau die Energiemenge, welche maximal in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Wird nun eine Reaktion betrachtet, so sind gerade die Differenzen dieser beiden Größen von Bedeutung. Die Änderung der Enthalpie, als Reaktionsenthalpie ∆H bezeichnet, beschreibt die während der Reaktion abgegebene bzw. aufgenommene Energie. Sie ist bestimmbar aus den Eigenschaften der Reaktionsteilnehmer.
Die maximal umsetzbare elektrische Energie während der Reaktion wird durch die Änderung der freien Enthalpie, der freien Reaktionsenthalpie ∆G, definiert. Diese ist eine bedeutende Größe bei der Bestimmung der spezifischen Energie einer Batterie, da die freie Reaktionsenthalpie in einem direktem Zusammenhang mit der Ruhespannung steht.
Die letzte bedeutende thermodynamische Größe ist die Entropie ∆S, welche der Abweichung von Reaktionsenthalpie ∆H und freien Reaktionsenthalpie ∆G entspricht. Diese unterscheiden sich, da sich in einer realen Batterie auf Grund der aufgenommenen oder freigesetzten Wärme die elektrisch nutzbare Energie und die insgesamt umgesetzte Energie unterscheiden. Die Energiedifferenz ist dabei proportional zur Temperatur. Aus diesem Grund wird oft das Produkt von Temperatur und Reaktionsenthalpie ∆S∙T verwendet, welches genau der an die Umgebung ab-gegebenen oder aufgenommenen Wärme entspricht. Der Effekt der Wärmeabgabe bzw. –aufnahme ist vollständig umkehrbar und wird daher als „reversibler Wärme-effekt“ bezeichnet. (2) (1)
Der Hauptsatz der Thermodynamik wird genau durch diese drei Größen, also die Reaktionsenthalpie ∆H, die freie Reaktionsenthalpie ∆G und die Reaktionsenthal-pie ∆S gebildet:
Die Berechnung der theoretischen Ruhespannung ist über den Zusammenhang mit der Gibb’schen freien Reaktionsenthalpie und der Ladungsmenge möglich. Das Produkt aus Ladungsmenge und Gleichgewichtsspannung entspricht dabei genau der negativen freien Reaktionsenthalpie. Die Ladungsmenge ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl an Elementarladungen n und der faradayschen Konstante F. Dieser Zusammenhang wird auch als „Faradaysches Gesetz“ bezeichnet.
∆G=-U_0∙Q=-U_0∙n∙F
daraus folgt für die Ruhespannung U_0=-∆G/(n∙F)
Da in diesem Fall die Entladung betrachtet wird und das System somit Energie ab-gibt, muss das Vorzeichen der Reaktionsenthalpie negativ sein. (2) (3)
Die hier berechnete Ruhespannung ist jedoch keine konstante Größe, sondern ab-hängig von verschiedenen Parametern wie der Temperatur oder der Konzentration der Reaktanten. Die Ruhespannung ist zwar nicht direkt proportional zu der Konzentration der Reaktanten, wird jedoch über den Zusammenhang mit der Reaktionsenthalpie und der freien Reaktionsenthalpie beeinflusst. Diese Abhängigkeit kann jedoch von Batteriesystem zu Batteriesystem sehr unterschiedlich sein, im All-gemeinen nimmt die Gleichgewichtsspannung aber mit fallendem Ladezustand ab. (3) (1)
Die Abhängigkeit von der Temperatur kann mit Hilfe eines Temperaturkoeffizienten beschrieben werden. Dieser wird mit folgender Formel bestimmt: α_(U_0 )=(dU_0)/dT=∆S/(n∙F). (1)
Ebenfalls die spezifische Energie E_(Th) kann über einen thermodynamischen Zu-sammenhang, nämlich dem Quotienten aus freier Reaktionsenthalpie und der Mol-masse M des umgesetzten Stoffes, berechnet werden: E_(Th)=-∆G/M. (1)
Die hier vorgestellten Definitionen für die spezifische Energie und die Ruhespan-nung der Batterie sind jedoch nur theoretische Werte unter Idealbedingungen. In der Realität sind diese verschiedensten Einflüssen ausgesetzt, weswegen dessen praktischen Größen stark von den theoretisch bestimmten abweichen. (1)
Literaturverzeichnis
Butler-Volmer-Gleichung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom an einer Elektrode ist in dem unten dargestellten Diagramm zu erkennen.
Auf der X-Achse ist die Potentialdifferenz in Volt, d.h. die Differenz zwischen Gleich-gewichtsspannung und tatsächlicher Spannung an der Batterie, aufgetragen. Die Y-Achse stellt die Stromdichte in Ampere dar. Die beiden Exponentiallinien, eine im positiven und eine im negativen Bereich, sind die Kennlinien der Lade- bzw. Entladereaktion an einer Elektrode. Diese beiden Reaktionen laufen parallel in der Batterie ab. Der Ruhezustand, bei welchem kein Stromfluss an der Batterie messbar ist, kann genau im Achsenschnittpunkt des Diagramms gefunden werden. Hier gleichen sich die Lade- und Entladereaktivität genau aus. Geht man auf der X-Achse vom Achsenschnittpunkt weg, erhöht sich der Betrag einer der beiden Kurven und die jeweils andere nähert sich null an. Die Differenz zwischen diesen beiden Wer-ten entspricht genau dem an der Batterie messbaren Strom. (2) (1)
Die Butler-Volmer-Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang zwischen Span-nung und Strom mit Hilfe einer mathematischen Formel. Der Strom ist dabei, wie schon erwähnt, genau der Strom, welcher an den Polen der Batterie messbar ist. Dieser ist exponentiell abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen Ruhespannung und der sich an den Elektroden einstellenden Spannung. Aus diesem Grund sind in der Formel zwei Exponentialfunktionen vorhanden, eine für den Lade- und die andere für den Entladevorgang.
Die in der Butler-Volmer-Gleichung und in dem Diagramm dargestellten Reaktionen laufen immer nur in einer Elektrode ab. In der jeweils anderen finden jedoch mit der gleichen Rate ebenfalls Reaktionen statt, da der Strom, welcher an den äußeren Polen messbar ist, durch beide Elektroden zwangsmäßig in der gleichen Menge fließen muss.
Die anderen in der Formel enthaltenen Parameter sind die aktive Oberfläche A, der Materialparameter i_0, die Temperatur T, der Symmetriefaktor ∝ und die Gaskonstante R. Je größer die aktive Oberfläche A in der Batterie ist, desto einfacher läuft die an der Elektrode stattfindende Reaktion ab. Dies bedeutet, dass der gleiche Stromfluss mit geringeren Spannungswerten erreicht werden kann. Der Symmetrie-faktor ∝ gibt an, in welchem Verhältnis die Lade- und Entladereaktionen stattfinden. Eine Lithium-Ionen Batterie verfügt in der Regel über einen Symmetriefaktor von ∝=0,5 was bedeutet, dass Lade- und Entladereaktionen in einem sehr ausbalancierten Verhältnis vorliegen. Bleibatterien hingegen erreichen meist nur einen Wert von ∝=0,3. Somit muss für den Ladevorgang deutlich mehr Spannung aufgewendet werden. (2)
Da die Handhabung einer Formel mit zwei Exponentialfunktionen sehr komplex wäre, existieren zwei Vereinfachungen der Butler-Volmer-Gleichungen. Fließen in der Batterie kleine Ströme, kann mit e^x=1+x die Butler-Volmer-Gleichung zu ∆U=(R∙T)/F∙I/(A∙i_0 ) vereinfacht werden. Die Näherung für große Ströme, oft auch als Tafel-Gleichung bezeichnet, ist folgende ∆U=(R∙T)/(α∙F)∙ln(|I/(A∙i_0 )|). Diese beiden Terme können so für weitere Berechnungen verwendet werden, da sie wesentlich handlicher als die ursprüngliche Butler-Volmer-Gleichung sind. (3) (2) (1)Literaturverzeichnis
