Energiespeicher, Batterieanlagen
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Elektrotechnik
Entwicklungen bei Lithium-Akkumulatoren
ep4/2005, 4 Seiten
Technische Entwicklung Der Batteriemarkt wird gegenwärtig im Leistungsbereich immer noch von Bleiakkumulatoren beherrscht. Ihr niedriger Preis wird durch die Einsatzmaterialien, durch die in über hundert Jahren immer wieder verbesserten technologischen Verfahren zur Produktion und nicht zuletzt durch den immensen Wettbewerbsdruck der in der ganzen Welt angesiedelten Produzenten bestimmt. Spezialausführungen gibt es fast für jedes Einsatzgebiet. Dies führt dazu, dass auch noch in weiter Zeit der Bleiakku seine Absatzgebiete haben wird. Sein Konkurrent, der NiCd-(Nickel-Cadmium-) Akku, hat sich nie im großen Stil durchsetzen können. Zum einen war dies durch seinen wesentlich höheren Preis bestimmt, zum anderen erfordert der Memory-Effekt kompliziertere Ladeverfahren, um einen Kapazitätsverlust zu vermeiden. Damit blieb der Einsatz von NiCd-Akkus immer auf Spezialanwendungen beschränkt. Wegen des Umweltgiftes Cadmium werden diese Akkus im Jahre 2008 gemäß einer EU-Richtlinie vom Markt genommen, ausgenommen sind Powertools und vermutlich auch Industrieapplikationen. Seit einigen Jahren werden NiMH-(Nickel-Metallhydrid-) Akkumulatoren verstärkt angewandt. Sie sind so weit entwickelt, dass sie den NiCd-Akkus ebenbürtig sind und der Memory-Effekt keine Bedeutung mehr hat. Der höhere Preis hat auch bei dieser Familie nicht zu einer Verdrängung der Bleiakkus im höheren Leistungsbereich geführt. Das vorrangige Einsatzgebiet sind portable elektronische Geräte wie Laptops, Handys oder Spielkonsolen. Die Suche nach verbesserten Elektroenergiespeichern geht unverändert weiter. Die Arbeiten an der Zink-Luft-Batterie [1] größerer Leistung sind in Deutschland nach der Insolvenz der Zoxy AG unterbrochen, in USA und Taiwan wird an diesen Konzepten weiter gearbeitet. Große Erwartungen werden an Lithium-Batterien geknüpft, die in den letzten Jahren immer mehr im kleinen Leistungsbereich andere Batterietypen verdrängt haben. Viel versprechende Entwicklungen in Deutschland für leistungsstarke Akkus lassen hoffen, einen Speicher für Elektroenergie mit deutlich verbesserten Parametern gegenüber bisherigen Systemen zu erreichen. Bild zeigt eine Einschätzung aus Sicht der GAIA Akkumulatorenwerke Gmb H zur Entwicklung von Energiedichten heutiger und zukünftiger Batterien. Lithium Die Grundlage für die neuen Batterien bildet das Element Lithium mit seinen Verbindungen. Es wurde im Jahr 1817 von Arfvedson entdeckt, der Name ist vom griechischen „lithos“ (= Stein) abgeleitet, weil es in Mineralien (dem „Steinreich“) gefunden wurde. Lithium ist an frischen Schnittstellen silberweiß. Reines Lithium wird als feuergefährlich eingestuft. Es reagiert mit Wasser zu Lithiumhydroxid und Wasserstoff: 2 Li + 2 H2O = 2 LiOH + H2, weshalb Wasser bei Lithiumbränden nicht als Löschmittel verwendbar ist. Lithium steht in der Rangfolge der Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste an 35. Stelle nach Kupfer und Wolfram und verfügt somit über erhebliche Vorkommen. Es besitzt bei Raumtemperatur die niedrigste Dichte aller festen Elemente und schwimmt auf Paraffinöl - eine Grundlage für niedriges Volumengewicht von Batterien. Die elektrische Leitfähigkeit ist vergleichsweise groß (etwa 18 % von Kupfer). Mit -3,04 V gegenüber Wasserstoff in der elektrochemischen Spannungsreihe für Metalle steht dieses Element an erster Stelle (Tafel ). Dadurch wird das höchste Potential zu jedem Kathodenmaterial erreicht - eine Voraussetzung für eine hohe Speicherkapazität pro Volumen (Energiedichte) bei Batterien. Lithium-Batterien Durch die vorgenannten Materialeigenschaften war schon früh das Interesse an wiederaufladbaren Batterien auf Lithiumbasis erweckt. Erste Arbeiten mit Lithiumbatterien begannen 1912 unter G. N. Lewis. Es war jedoch ein langer Weg, bis 1991 Sony die erste kommerziell gefertigte, wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt brachte. Seitdem erfolgen weltweit laufend Verbesserungen, neue Materialkombinationen werden realisiert, die Technologien werden immer ausgefeilter und neue Batteriearten eingeführt. Elektropraktiker, Berlin 59 (2005) 4 288 FÜR DIE PRAXIS Energieversorgung Entwicklungen bei Lithium-Akkumulatoren W.-D. Sieberth, Berlin Die moderne Elektronik und Leistungselektronik benötigt dringend hocheffektive Elektroenergiespeicher, beispielsweise für Anwendungen in Elektrofahrzeugen oder für Leistungsspeicher zur Überbrückung von Ausfallzeiten beliebiger Versorgungsquellen. Neue Hoffnungen auf passfähige Lösungen machen viel versprechende Entwicklungen auf Basis des Alkalimetalls Lithium. Autor Dipl.-Ing. Wulf-Dietrich Sieberth ist freier Fachautor, Berlin. Leistungvergleich von Batteriesystemen Quellen: GAIA Tafel Elektrochemische Spannungsreihe Auszug, Werte gerundet Material Normalpotential Lithium - 3,04 V Zink - 0,76 V Cadmium - 0,40 V Kobalt - 0,27 V Nickel - 0,25 V Blei - 0,13 V Eisen - 0,04 V Wasserstoff 0 V Kupfer + 0,34 V Kohle + 0,74 V Silber + 0,81 V Gold + 1,50 V Quelle: www.formel-sammlung.de Lithium-Ionen-Batterien Mit Lithium-Ionen-Batterien begann die kommerzielle Verwendung der Lithium-Batterien. Sie sind derzeit die am meisten verwendeten Batterien für den mobilen Einsatz mit Kapazitäten um 6000 mAh. Es existieren auch nicht wiederaufladbare Lithium-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien besitzen einen flüssigen Elektrolyten und müssen durch einen festen Stahlmantel vor dem Auslaufen geschützt werden, was einen Teil des Gewichtsvorteils wieder kompensiert. Ihr häufigstes Einsatzgebiet sind Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, PDA und Notebooks. Die Energiedichte beträgt etwa das Doppelte einer standardmäßigen Nickel-Cadmium-Batterie. Üblicherweise hat sie Nominalspannungen um 3,6 V und eine Ladeendspannung von 4,0 V. Die hohe Spannung ermöglicht Einzellen-Batterien. Reihen- und Parallelschaltungen sind möglich. Beim Einsatz der Batterien muss die Überladung und Überlastung (z. B. durch Kurzschluss) der einzelnen Zelle wegen Ausgasung gefährlicher Dämpfe und u. U. Brand-oder Explosionsgefahr durch spezielle Ladegeräte und Schutzeinrichtungen verhindert werden. Die Entladung sollte entsprechend der Herstellerempfehlungen erfolgen, da so die Kapazität optimal ausgenutzt wird. Eine Entladung unter 2,6 V darf nicht erfolgen, weil sich darunter (wie auch bei Überladung) die chemischen Eigenschaften irreversibel verändern und die Batterie unbrauchbar wird. Die Ladebedingungen werden im Allgemeinen durch Elektroniken der Batterielieferanten bzw. der Hersteller der Geräte abgesichert. Ein Memory-Effekt tritt nicht auf, die Selbstentladung ist gering. Damit haben sich diese Batterien ihren Markt erobern können. Zu beachten ist allerdings die Wärmeempfindlichkeit und Alterung der Batterien unabhängig von der Inbetriebnahme. Permanente Entwicklungsarbeiten durch die Batteriehersteller führen immer wieder zu Verbesserungen und innovativen Lösungen. Lithium-Polymer Batterien Das Bestreben, Nachteile der Lithiom-Ionen-Batterien zu reduzieren, führte zu Lithium-Polymer-Batterien. Lithium-Ionen werden beim Laden von der Anode in die Kathode eingelagert Energieversorgung FÜR DIE PRAXIS Anzeige Schematische Darstellung des Lade-und Entladeprozesses einer Zelle Schematischer Aufbau einer Zelle Überwachungselektroniken und beim Entladen wieder zurückgeführt (Bild ). Lithium-Polymer-Batterien finden zunehmend Einsatz und verdrängen teilweise schon die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Bei Lithium-Polymer-Batterien bildet eine Lithium-Folie die Anode (Lithium-Metall-Polymer, ansonsten bildet Graphit (C6) das Anodenmaterial). Feste bis gelartige polymere Elektrolytschichten gewährleisten die gute Leitfähigkeit der Lithium-Ionen und Trennung der Elektroden. Metallfolien bilden das Leitermaterial (Bild ). Unverändert ist die Einhaltung der Lade- und Entladebedingungen mittels Schutzschaltungen und Spezialladegeräten erforderlich. Bild zeigt das Batteriemanagement-System von 36-V-Batterien für ein 42-V-Netz. Auch mehrere Lagen für Reihen- und Parallelschaltungen sind möglich. Der stark vereinfachte Batterieaufbau ist für durchlaufende, kontinuierliche Produktionsverfahren besonders geeignet und bietet damit erstmals die Möglichkeit, in Preisregionen von Nickel-Metallhydrid- Batterien zu gelangen und durch seine Vorteile auch in Leistungsgebiete einzudringen, die bisher Bleibatterien vorbehalten waren. Beispiele hierfür sind die interessanten technologischen Lösungen für die Serienproduktion der GAIA Akkumulatorenwerke Gmb H, Nordhausen. Bild gibt die schematisierte Darstellung des automatisierbaren und durchlaufenden Produktionsprozesses von der Folienfertigung, Beschichtung, Zusammenführung mehrerer Folien und Konfektionierung wieder. Bild zeigt das Erzeugnisspektrum des Unternehmens. Es umfasst sowohl Einzelzellen als auch durch Reihen-und Parallelschaltungen von Einzelzellen gefertigte Batterien. Die Technologie führt zu neuen Leistungsbereichen für die Lithiumtechnik. Die bisher größte, in Pilotproduktion bei GAIA hergestellte Batterie für 288 V Nennspannung und 25 kW Leistung, bzw. 1,7 kWh gespeicherte Energie, zeigen die Bilder und . Die Batterie ist ein Schritt für heutige und zukünftige Hybridautos. Bei diesen wird ein Verbrennungsmotor entweder durch einen Elektromotor unterstützt oder der Elektroantrieb übernimmt für eine bestimmte Zeit den Vortrieb alleine. Beispiel für Fahrzeuge dieser Klasse ist der auch auf unseren Stra-Elektropraktiker, Berlin 59 (2005) 4 290 FÜR DIE PRAXIS Energieversorgung Anode auf Trägerfolie Dry Blend Elektrolyt Anode Stromableiter doppelseitige Elektrodenlamination Elektroden auf Stromableiter beidseitig Dry Blend Elektrolyt Anode Dry Blend Elektrolyt Polymer Polymerelektrolyt Kathode auf Trägerfolie Polymerelektrolyt Kathode Anode Zellenwickler Polymerelektrolyt 4,2 V Lithium-Polymer-Batterien und Zellen 288-V-Batterie Blei-Säure NiMH Li-Ion- Supercaps 120 Masse 18 s bei 25 kW und min. 300 Wh verfügbare Energie Abschätzung der Batteriegewichte beim Einsatz für Hybridautos Schema der 288-V-Batterie Darstellung der Fertigungstechnologie Anzeige ßen zu findende Toyota Prius. Es ist zu erwarten, dass zukünftig der Verbrennungsmotor durch die Brennstoffzelle ersetzt und die Batterie für die Speisung dynamischer Vorgänge und Zwischenspeicherung von Energie, z. B. beim Bremsen, eingesetzt wird. Hierfür sind diese Batterien hervorragend geeignet. Die Gewichtsvorteile der Lithium-Batterien gegenüber anderen Batterietypen zeigt Bild . Mit Verfügbarkeit von Lithium-Batterien in diesen und größeren Leistungen wird auch der Einsatz für diverse netzunabhängige Antriebe, Energieversorgungen oder Energiezwischenspeicherungen interessant. Die gegenwärtige Pilotproduktion dient dem Test spezieller Einsätze und der Abdeckung von Einsatzfällen, bei denen die Vorteile dieser Batterien die noch hohen Preise überwiegen. Beispiele hierfür sind die Weltraumtechnik und das Militärwesen. Auch bei Serienproduktion werden die Preise etwa beim Dreifachen vergleichbarer Bleibatterien liegen. Anwender sowie Geräte- und Anlagenhersteller haben dann zu entscheiden, inwieweit sie die gestiegenen Gebrauchswertvorteile akzeptieren können. Ausblick Die heute vermarktete Lithiumtechnologie arbeitet mit organischen Elektrolyten. Sie hat mit den Lithium-Ionen-Batterien ihren Siegeszug begonnen. Neue Gebrauchswertparameter wurden bei Lithium-Ionen-Batterien mit der Einführung der Polymer-Technik erreicht. Diese ermöglicht erstmalig die Fertigung von Hochleistungs- und Hochenergie-Batterien. Durch elektronische Einrichtungen, deren Aufwand technologieabhängig unterschiedlich sein kann, ist der Schutz der einzelnen Zelle vor Tiefentladung, Überladung, Batteriedefekt und zu hohen Temperaturen durch den Batteriehersteller oder den Anwender durch Bereitstellung geeigneter Elektroniken abzusichern. Was bleibt, ist der immens hohe Energieinhalt in kleinstem Volumen, der bei allen beschriebenen Batterien gewollt ist und Ziel der Entwicklung war. Richtige Dimensionierungen von kurzschlussfesten Schaltern und Sicherungen müssen außenliegende Kurzschlüsse abtrennen können. Kurzschlüsse im Innern der Batterie werden durch die Gestaltung der Batterie beeinflusst. Aufgabe des Einsetzenden ist es, die spezifischen Besonderheiten dieser Batterietechnologien zu beachten und sich der Gefahr und Verantwortung bei Speicherung höchster Energiemengen auf kleinstem Raum bewusst zu werden. Prinzipiell war letzteres auch bei Bleibatterien zu lösen, das Platzangebot war jedoch bei dieser Technologie ungleich größer. Die Zielstellungen für Preise kurzfristig in Höhe von NiMH-Batterien und mittelfristig dem Dreifachen (oder hoffentlich niedriger) des Bleibatteriepreises sollen nach den Vorstellungen der Hersteller durch die bis zu doppelte Gebrauchsdauer und die Volumen-und Gewichtsvorteile mehr als gedeckt sein - aber die Anwender müssen das akzeptieren. Mit den Hochenergie-Batterien erscheinen Lösungen in der Zukunft realisierbarer, die mit der Zwischenspeicherung von Energie bei stationären Anlagen und für Traktionsaufgaben verbunden sind. Die Einführung der Brennstoffzellentechnologie kann durch die schnelle Bereitstellung hoher Ströme für Anfahr- und dynamische Vorgänge unterstützt werden. Mit den Lithium-Polymer-Batterien werden wichtige Innovationen für die Elektroenergie-Speicherung in die Serienproduktion übergeleitet. Literatur [1] Sieberth, W.-D.: Zink-Luft-Batterien als alternative Energiespeicher. Elektropraktiker, Berlin 57(2003)10, S. 806-807. [2] Sieberth, W.-D.: Trends in der Energietechnik, Elektropraktiker, Berlin 58(2004)7, S. 532-534. Elektropraktiker, Berlin 59 (2005) 4 291 Energieversorgung FÜR DIE PRAXIS Anzeige
Autor
- W.-D. Sieberth
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