Batterietechnologie

 

Das Konzept

Die richtige Zellenauswahl ist neben der passenden Elektronik ein wichtiger Grundstein eines jeden Akkupacks.

Wir beraten Sie individuell, gehen auf Ihre Bedürfnisse ein und finden gemeinsam die optimale Zelle für Sie. Ist die passende Zelle gefunden, kümmern wir uns in enger Zusammenarbeit mit Ihnen um alle weiteren Schritte bis hin zur Serienreife.

Als Systemanbieter fertigen wir alle denkbaren Akkupack-Konfektionierungen und bilden so gemeinsam mit Ihnen das Fundament für Ihren Erfolg.

Li-Ionen

Lithium-Ionen-Akkumulator (auch Lithium-Ionen-Sekundärbatterie genannt) bezeichnen im Allgemeinen Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen.

Jede Zelle besteht aus einer Grafit-Elektrode (negativ) und einer Lithium-Metalloxyd-Elektrode (positiv). Inzwischen gibt es eine große Bandbreite von verschiedenen Formaten und Zelltypen. Eines der bekanntesten Formate ist die Rundzelle im Format 18650. Es gibt neben diesem speziellen Typ auch noch weitere Zellen in zylindrischer Bauweise (14500,21700, 26650 etc.). Die ersten beiden Ziffern geben hier jeweils den Zelldurchmesser in Millimetern an und die dritte und vierte Stelle geben die Länge der Zelle in Millimetern an. Neben der zylindrischen Bauweise gibt es auch noch weitere Arten, wie z.B. die prismatische Zelle oder auch die Pouch-Zellen, welche in spezifischen Baugrößen ganz nach Ihren Anforderungen hergestellt werden können.

Bei den Zellen werden jeweils unterschiedliche Aktivmaterialien (hauptsächlich auf Kathodenseite) verwendet. Das Lithium-Metalloxyd kann hierbei beispielsweise zwischen Mangan, Nickel oder Kobalt variieren. Die Zusammensetzung hat einen essentiellen Einfluss auf die Eigenschaften der Zelle und ist je nach Hersteller unterschiedlich.

Die Nennspannung ist abhängig vom verwendeten Elektrodenmaterial und liegt in der Regel zwischen 3,6 und 3,7 Volt/ Zelle. Die Ladeschlussspannung beträgt in den meisten Fällen 4,2 Volt/ Zelle.

Die Funktion ist prinzipiell identisch, allerdings variieren Kenndaten wie z.B. die Zellenspannung, der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom oder die Temperaturempfindlichkeit stark und sind im Wesentlichen vom eingesetzten Elektrodenmaterial und dem Elektrolyt abhängig. Die Angabe des Subtyps (z. B. „Lithium-Mangandioxid-Akkumulator“) ist aus diesem Grund informativer als die Angabe des Oberbegriffs „Lithium-Ionen-Akkumulator“.

Ein weiteres und wesentliches Merkmal aller Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist, dass die Zellen nicht im Stande sind, eine mögliche Überladung zu verkraften. Deswegen ist gerade bei einer Konfektionierung (dem Verbund von Zellen) ein geeignetes Batteriemanagementsystem (BMS) mit entsprechenden Schutzfunktionen unerlässlich.

 

Lithim-Eisen-Phosphat

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator ist eine Ausführung (Subtyp) eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit einer Zellspannung von 3,2 V bzw. 3,3 V.

Als Kathodenmaterial wird Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) anstelle von z.B. herkömmlichem Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2) verwendet. Die Anode besteht jeweils aus Graphit oder einem harten Kohlenstoff mit eingelagertem Lithium.

Der LiFePO4 Akkumulator fand seinen Einsatz erstmalig im Jahr 1997 und ersetzt die häufig eingesetzte Lithium-Cobalt-Kathode.

Zwar weisen Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren gegenüber den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit Lithium-Cobalt-Elektroden eine geringere Energiedichte auf, zeichnen sich jedoch durch ihre hohe Eigensicherheit aus. Deswegen liegt das Hauptanwendungsgebiet dieser Technologie z.B. im Militärbereich, der Elektromobilität, der Medizintechnik oder aber im Storage Bereich, wo der Fokus auf Sicherheit liegt.

NiMh

Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) ist ein Akkumulator, bei welchem die positive Elektrode aus Nickel(II)-hydroxid, die negative aus einem Metallhydrid besteht. Diese Art von Akkumulatoren sind sehr weit verbreitet und vielfach in den üblichen Bauformen von Standardbatterien erhältlich. Pro Zelle wird eine Nennspannung von 1,2V bei einer typischen Entladeschlussspannung von 1,0V angeboten.

Sie können damit zumeist als wiederaufladbare Alternative die gängigsten Alkalibatterien, welche meist in haushaltsüblichen Geräten eingesetzt sind, ersetzen.

Die wesentlichen Vorteile gegenüber den mittlerweile nicht mehr frei verkäuflichen Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (NiCd) bestehen zunächst im Fehlen des hochgiftigen Cadmiums, außerdem einer höheren Energiedichte sowie dem Entfallen des Memory-Effektes

Die Zellen bzw. die Batterien sind komplettsystem- und spannungskompatibel mit allen NiCd-Akkus. Weitere Vorteile der NIMH Akkus kurz im Überblick:

  • Tiefentladefähig
  • Gute Lebensdauer / lange Haltbarkeit
  • Überladbar
  • Gute Leistungsdaten
  • Hohe spezifische Energie

Negativ anzumerken ist die hohe Selbstentladerate von ca. fünf bis zehn Prozent am ersten Tag. Allerdings stabilisiert sich diese dann im weiteren Verlauf etwa auf ein halbes bis ein Prozent pro Tag (gemessen bei Raumtemperatur). Die hohe Selbstentladung verhindert den Einsatz von NIMH Akkus in Applikationen, bei denen eine Batterielebensdauer von mehreren Monaten oder Jahren gewünscht ist, wie z.B. Rauchmeldern oder Fallschirm-Rettungssystemen.

Blei-Batterie

Eine der bekanntesten Anwendungen von Bleibatterien ist die Verwendung als Starterbatterie für die Versorgung in Kraftfahrzeugen. Neben dieser Art von Verwendung gibt es aber noch eine Vielzahl von weiteren Anwendungsgebieten. Neben dieser Art von Verwendung gibt es aber noch eine Vielzahl von weiteren Anwendungsgebieten: Als Speicher für Solaranlagen beispielsweise oder für die Versorgung von elektrischen Rollstühlen sowie Gabelstaplern

Blei-Akkumulatoren zeichnen sich vor allem durch eine hohe Zuverlässigkeit, sehr gute Verfügbarkeit sowie Wirtschaftlichkeit durch günstige Herstellungskosten aus.

Allerdings steht die Wirtschaftlichkeit aufgrund der fallenden Kosten anderer Akkumulator-Systeme, besonders im Bereich der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren, zunehmend in Frage. Ein wesentlicher Vorteil der Bleibatterien ist es, dass zum Überwachen der Zellen kein Batterie-Management-System eingesetzt werden muss.

Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2V, wobei die Spannung aufgrund des Ladezustands der Batterie stark schwankt. In der Regel liegen die Akkumulatoren zwischen ca. 1,75V und 2,4V.

Bleiakkumulatoren dürfen nicht tief entladen (Zellenspannungen unter 1,8V) werden, da dies die Zellen nachhaltig schädigen und der Akkumulator so unbrauchbar gemacht werden kann.

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