Bild 1: Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Chemikalien in Lithium-Ionen-Zellen.

Bild 1: Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Chemikalien in Li-Ionen-Zellen. (Bild: GS YUASA)

| von Raphael Eckert

Lithium-Ionen-Zellen funktionieren nach den gleichen Prinzipien wie jede andere wiederaufladbare Batterie. Über einen externen Stromkreis fließt elektrische Ladung während des Entladens von einer Elektrode der Batterie zur anderen. Um diesen Ladungstransfer innerhalb der Zelle auszugleichen, wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen internen Elektrolyten von der positiven zur negativen Elektrode. Beim Laden wiederum läuft der Vorgang umgekehrt ab und die Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück.

Bild 1: Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Chemikalien in Lithium-Ionen-Zellen.

Bild 1: Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Chemikalien in Li-Ionen-Zellen. GS YUASA

Zur Herstellung der Elektrodenmaterialien eignen sich verschiedene Arten von Chemikalien, die Lithium-Ionen beinhalten. Diese Chemikalien lassen sich auf unterschiedliche Weise kombinieren, wobei jede Materialpaarung eine Zelle mit anderen elektrischen Eigenschaften ergibt (Bild 1). Somit ist die Auswahl der passenden Zelle für die entsprechende Anwendung äußerst wichtig. Zusätzlich kommt es darauf an, ausschließlich Zellen mit gleicher Chemie sowohl bei der erstmaligen Implementierung als auch beim Austausch der Zellen zu verwenden.

Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) beispielsweise bestehen aus einer Kombination aus einer negativen Elektrode aus Kohlenstoff und einer positiven Elektrode aus Eisenphosphat. Daraus ergibt sich eine Zelle mit einer Betriebsspannung von 3,2 V. Durch die Serienschaltung von vier dieser Zellen lässt sich zum Beispiel eine 12-V-Autobatterie herstellen, die kompatibel mit den meisten Fahrzeug-Bordnetzen ist. Dies wäre mit einer Lithium-Cobaltoxid-Zelle (LCO), deren Betriebsspannung 3,7 V beträgt, nicht möglich.

Die Zellenstruktur von Zellen mit größerer Kapazität gleicht einer prismatischen Konstruktion mit robuster Metallwand. So entsteht eine optimale Kombination aus Packungsdichte, Wärmemanagement und Schutz, wie sie für Anwendungen im Industrie- und Automobilbereich erforderlich ist.

Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien

Bild 2: Entladeraten im Vergleich: Lithium-Ionen-Batterie und Blei-Säure-Batterie.

Bild 2: Entladeraten im Vergleich: Lithium-Ionen-Batterie und Blei-Säure-Batterie. GS YUASA

Lithium-Ionen-Zellen sind den traditionellen Batterietechniken deutlich überlegen. Sie verfügen nicht nur über eine hohe Energiedichte, sondern auch über eine große Zahl an Entladezyklen, eine hohe Entladerate bei gleichbleibender Kapazität sowie über kurze Ladezeiten. Während sich die Lithium-Ionen-Batterie innerhalb einer Stunde wieder auflädt, benötigt eine Blei-Säure-Batterie über neun Stunden (Bild 2). Damit eignen sich Li-Ionen-Batterien insbesondere für Anwendungen, in denen die Ladeleistung oder Ladezeit begrenzt sein kann, zum Beispiel für Photovoltaik-Systeme oder Autos mit Start-Stopp-Automatik.

Bild 3: Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie in teilgeladenem Zustand.

Bild 3: Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie in teilgeladenem Zustand. GS YUASA

Selbst im teilgeladenen Zustand besitzt die Li-Ionen-Batterie noch hervorragende Eigenschaften: So wirkt sich ein dauerhaftes Betreiben der Zellen im teilgeladenen Zustand nicht negativ auf die Batterien aus (Bild 3). Zu den positiven Eigenschaften zählt außerdem eine sichere Stromversorgung die Li-Ionen-Batterien gewährleisten, zumal Batteriemanagement-Systeme die Fehlererkennung und die Weiterleitung von Informationen übernehmen. Ihr Ladetemperaturbereich ist groß und es besteht keine Spannungskompensation (Bild 4). Damit bieten sie eine größere Flexibilität im Betrieb als etwa Blei-Säure-Batterien.

 

Warum Sicherheit und Standardisierung so wichtig sind, zeigt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Wenig Platz und sehr leicht

Bild 4: Ladetemperaturbereich einer Li-Ionen-Batterie im Vergleich zu einer Blei-Säure-Batterie (ohne Spannungskompensation).

Bild 4: Ladetemperaturbereich einer Li-Ionen-Batterie im Vergleich zu einer Blei-Säure-Batterie (ohne Spannungskompensation). GS YUASA

Der Platzbedarf ebenso wie das Gewicht von Li-Ionen-Batterien fällt vergleichsweise gering aus. Hinzu kommt die lange Lebensdauer bei großem Energiedurchsatz. So verfügt eine Li-Ionen-Batterie über 50 Ah Kapazität und 25.000 Ah Durchsatz, eine Blei-Säure-Batterie über 100 Ah Kapazität und 5000 Ah Durchsatz. Auch die Energieeffizienz ist bei der Li-Ionen-Batterie mit 4 % thermischem Verlust bei 96 % Energieabgabe hoch, eine Blei-Säure-Batterie weist hingegen 15 % thermischen Verlust bei 85 % Energieabgabe auf.

Auch das Wärmemanagement fällt bei der Li-Ionen-Batterie deutlich kostengünstiger aus. Während bei einer Blei-Säure-Batterie eine Klimatisierung erforderlich ist, genügt bei der Li-Ionen-Batterie die Luftzirkulation. Denn diese besitzt eine sehr geringe Wärmeabgabe, die durch Ineffizienzen beim Laden entsteht. Außerdem gibt sie beim Laden keine Gase ab. Damit eignet sie sich für abgedichtete Behälter und lässt sich in geschlossenen Gehäusen komplett isoliert von ihrer Umgebung betreiben. Bei Blei-Säure-Batterien hingegen ist eine Wasserstoff-Ventilation nötig. Schließlich sind Li-Ionen-Batterien frei von toxischen Stoffen wie Cadmium, Quecksilber oder Blei und damit ungiftig. Es bestehen keine Recycling-Vorgaben, auch wenn die Zellen am Ende ihrer Nutzungszeit recycelt werden sollten.

Sicherheit und Standardisierung

Batteriemanagement-Systeme (BMS) sorgen für den sicheren Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien mit mehreren Zellen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, sämtliche Zellen einer Batterie in den gleichen Ladezustand zu versetzen und diesen Zustand während der gesamten Nutzungsdauer der Batterie zu halten. Dafür überwacht das BMS die Spannung jeder einzelnen Zelle. Zellen mit höherer Spannung werden entladen, bis sie mit den übrigen übereinstimmen. Darüber hinaus senkt die zunehmende Intelligenz des BMS die Instandhaltungskosten und verlängert die Nutzungsdauer der Batterie.

Da der hohe Energiegehalt der Lithium-Ionen-Batterien mit standardisierten Verpackungsprozessen kontrolliert werden muss, gelten für den Transport bestimmte Regeln. Bei Li-Ionen-Batterien handelt es sich um Gefahrgut der Klasse 9, deshalb ist eine Beschriftung sämtlicher Verpackungen mit der Identifikationsnummer UN3480 Vorschrift. Kommerzielle Zellen müssen die im UN Manual of Tests and Criteria, Part III, Subsection 38.3 definierten Sicherheitsprüfungen bestehen.

Die Standardisierung der Batterien schreitet zügig voran, um der steigenden Zahl an Anwendungsgebieten für die Lithium-Ionen-Technik Rechnung zu tragen. Für industrielle Anwendungen gilt die IEC als Hauptnorm unter den international anerkannten Normen. Die Anforderungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Zellen und Batterien listet die Norm IEC62620 (2014). In den Normen IEC62133-2 (2017) für den Einsatz in tragbaren Geräten sowie IEC62619 (2017) für industrielle Systeme finden sich die Sicherheitsanforderungen.

 

Auf der folgenden Seite stellt der Beitrag die Li-Ionen-Technologie von GS Yuasa vor.

Ausgereifte Li-Ionen-Technologie

GS Yuasa hat Technologien für Batterien in speziellen Einsatzbereichen entwickelt und ist frühzeitig in die Massenfertigung von Lithium-Ionen-Kfz-Batterien eingestiegen. Die Lithium-Ionen-Batterien des Herstellers eignen sich für ein breites Anwendungsfeld: So kommt die Technologie in vielen Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz, ebenso wie in Tiefsee- oder Raumfahrt-Anwendungen in 36.000 Kilometern Höhe. Hier leisten die Zellen in 110 verschiedenen Satelliten und Raumfahrzeugen ihre Dienste, da sie eine hohe Zuverlässigkeit insbesondere auch für raue isolierte Umgebungen und extreme Bedingungen ermöglichen.

Zudem bietet GS Yuasa ein breites Spektrum anpassungsfähiger Energiespeicherlösungen für erneuerbare Energien und Reserve-Stromversorgungen weltweit. Die LIM-High-Power-Module, LIM-High-Energy-Module und Energiespeicher-Schränke zeichnen sich durch eine hohe Qualität, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit aus und verhindern damit Zellausfälle.

Zu den neuen Entwicklungen und Lösungen für Ersatzstromversorgungen und Energiespeicher-Applikationen, an denen GS Yuasa kontinuierlich arbeitet, zählen ein Dual-Chemical-Batteriesystem, das sowohl Lithium-Ionen- als auch ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien nutzt, sowie Containerlösungen für Lithium-Ionen-Batterien.

Raphael Eckert

Group Sales Manager bei der GS Yuasa Battery Germany

(na)

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