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Batterie-Enzyklopädie

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Anode, Kathode, Gesundheitszustand, Entladetiefe, Lebensdauerende - lesen Sie über die wichtigsten Batteriebegriffe und Definitionen.

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Batteriezelle

Batteriezellchemien

Batteriekomponenten

Modellierung von Batterien

Batteriebegriffe

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Alterungsmodell

Modellierung von Batterien

Ein Alterungsmodell verwendet mathematische Beschreibungen relevanter Prozesse, die die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien im Laufe der Zeit vorhersagen. Es erfasst die Auswirkungen verschiedener Faktoren, wie z. B. Temperatur, Ladezustand und Betriebsmuster, auf die Lebensdauer und Leistung der Batterie. Alterungsmodelle betrachten in der Regel den Kapazitätsabfall und den erhöhten Innenwiderstand als primäre Indikatoren für die Batteriealterung. Durch die Vorhersage des Gesundheitszustands (SoH) der Batterie und die Schätzung ihrer verbleibenden Nutzungsdauer helfen Alterungsmodelle bei der Optimierung von Batteriemanagementstrategien, der Planung von Wartung oder Austausch und der Verbesserung der Gesamtleistung und Zuverlässigkeit batteriebetriebener Systeme.

Anode

Batteriezelle

Elektrode, an der die Oxidation stattfindet - setzt bei der Entladung Elektronen frei. Besteht in der Regel aus Graphit und einem Bindemittel. Die Batteriewissenschaft und die Industrie haben sich darauf geeinigt, sie als "negative" Elektrode zu bezeichnen, obwohl sich der Oxidations- und Reduktionsprozess von der Entladung zur Ladung ändert.

BMS (Batterie-Management-System)

Batteriekomponenten

Ein BMS ist ein elektronisches System, das die Leistung eines Batteriesatzes überwacht und steuert. Es schützt die Batterie davor, außerhalb ihrer sicheren Spannungs-, Temperatur- und Stromgrenzen zu arbeiten, und sorgt so für optimale Leistung und Langlebigkeit. Ein BMS liefert auch wichtige Informationen über den Ladezustand, den Gesundheitszustand und andere Leistungsparameter der Batterie.

Batteriezelle

Kleinste einzelne elektrochemische Einheit, die eine bestimmte Energiemenge liefert, die von Größe, Chemie und Nutzung abhängt.

Modellierung von Batterien

Die Batteriemodellierung umfasst die Erstellung mathematischer Darstellungen von Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung grundlegender Beschreibungen aus Physik, Chemie und Thermodynamik, um ihre Leistung, ihr Verhalten und ihre Alterung vorherzusagen. Diese Modelle helfen Ingenieuren auf verschiedene Weise, u. a. bei der verbesserten Gestaltung von Batteriemanagementsystemen, der Optimierung von Ladealgorithmen und der Verbesserung der Gesamtleistung von Batterien.

Akku-Modul

Batteriekomponenten

Module fassen 'n' Zellen zu einem größeren Paket zusammen, wobei n größer als 1 ist. In der Regel sind Module die kleinste Einheit eines Batteriesatzes, die bei der Wartung ausgetauscht werden kann.

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Akku-Pack

Batteriekomponenten

Die Akkupacks bestehen aus einer Anzahl von n Modulen, wobei n größer als 1 ist.

Schwellung der Batterie

Batteriebegriffe

Batterien schwellen an, wenn die Li-Ionen zwischen Kathode und Anode hin- und herwandern. Die Schwellung ist abhängig von der verwendeten Elektrodenchemie. Einige Elektrodenmaterialien wie Silizium dehnen sich bei der Aufnahme von Li-Ionen um mehr als 300 % aus. Darüber hinaus kann die Batterie anschwellen, wenn sich Gas im Inneren einer Lithium-Ionen-Batterie ansammelt und sie dadurch aufbläht. Dies ist besonders bei Pouch-Zellen zu beobachten. Die Gasbildung kann auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sein, darunter Überladung, hohe Temperaturen und Herstellungsfehler. Gegeblähte Batterien stellen ein Sicherheitsrisiko dar und sollten umgehend ausgetauscht werden.

Batterie-System

Batteriekomponenten

Batteriesysteme kombinieren eine Anzahl von "n" Akkus, wobei n größer oder gleich 1 ist.

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C-Rate

Batteriebegriffe

Die C-Rate ist ein Maß für die Lade- oder Entladerate einer Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität. Eine höhere C-Rate bedeutet eine schnellere Ladung oder Entladung. Batterien mit hoher C-Rate können mehr Leistung liefern, haben aber möglicherweise eine kürzere Lebensdauer und eine höhere Wärmeentwicklung.

Kapazität

Batteriebegriffe

Die Kapazität einer Zelle ist, elektrochemisch gesehen, die Menge an Lithiumionen, die zwischen der oberen Grenzspannung und der unteren Grenzspannung zwischen Kathode und Anode ausgetauscht werden kann. Theoretische Werte weichen in der Regel von den praktisch erreichbaren ab, da nur ein Teil des in den Elektroden gespeicherten Lithiums für die elektrochemischen Reaktionen zur Verfügung steht. In der Praxis wird die Kapazität durch die Integration des Stroms über die Zeit berechnet. Zusätzliche Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass sich Kathoden- und Anodenpotenziale mit der Temperatur ändern und somit die Kriterien für die obere und untere Grenzspannung beeinflussen. Um die Kapazität zu bestimmen, werden also sowohl die Stromrate als auch die Temperaturinformationen benötigt. Außerdem muss angegeben werden, ob die Kapazität während der Ladung oder während der Entladung gemessen wird.

Die Zellenhersteller geben in der Regel einen Nennkapazitätswert für ihre Zellen an: Die Nennkapazität ist die Kapazität einer Zelle während der Entladung, die in der Regel in Amperestunden gemessen wird, und die unter vordefinierten Spezifikationen gemessen wird. In der Regel stellt der Zellenhersteller Informationen zur Bestimmung der Nennkapazität zur Verfügung, wie z. B. Temperatur, angewandter Strom und Abschaltspannung. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die messbare Kapazität macht es schwierig, Tests von verschiedenen Parteien mit derselben Batteriezelle zu vergleichen. Ein direkter Vergleich ist nur möglich, wenn jedes Detail spezifiziert und vereinbart ist. Daher gibt es nicht die eine wahre Kapazität, sondern nur verschiedene Möglichkeiten, die verfügbare Kapazität unter bestimmten Bedingungen zu bestimmen.

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Kathode

Batteriezelle

Elektrode in einer Batteriezelle, in der eine Reduktion, d. h. die Aufnahme von Elektronen, stattfindet. Sie besteht in der Regel aus Metalloxiden, einem elektrisch leitenden Pulver und einem Bindemittel. In der Batterieforschung und -industrie hat man sich darauf geeinigt, sie als "positive" Elektrode zu bezeichnen.

Zyklus

Batteriebegriffe

Ein Zyklus ist definiert als der Zeitpunkt, an dem die Zelle zum Ausgangspunkt zurückkehrt, nachdem sie einen Lade- und Entladevorgang durchlaufen hat, bei dem sowohl die obere als auch die untere Grenze der durch den Betrieb festgelegten Abschaltspannung erreicht wurde. Da ein Zyklus außer bei Zelltests (insbesondere bei Alterungstests) nur selten vorkommt, wird das Fahrprofil häufig durch äquivalente volle Zyklen charakterisiert:

Äquivalenter voller Zyklus (EFC): Er wird verwendet, um jeden Zyklus oder jede Ladung oder Entladung in Bezug auf den Ladedurchsatz eines vollen Zyklus zu klassifizieren. Zum Beispiel entspricht ein Zyklus zwischen 50 und 100 % Ladezustand (SoC) (d. h. Beginn bei 50 % SoC, Laden auf 100 % und dann Entladen wieder auf 50 % SoC) 0,5 EFC

Halbzyklus: Das tatsächliche Fahrprofil kann in eine Reihe von Halbzyklen unterteilt werden, die auf verschiedenen Algorithmen wie dem Regenflussalgorithmus usw. basieren. Die Klassifizierungen für Halbzyklen können recht spezifisch sein, z. B. jedes Mal, wenn der Strom auf Null abfällt, ist ein Halbzyklus beendet. Oder wenn das SoC-Signal seine Richtung ändert.

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Entladungstiefe (DoD)

Batteriebegriffe

Die Entladetiefe (Depth of Discharge, DoD) ist die Differenz zwischen der oberen und unteren Grenze des Ladezustands (State of Charge, SoC) eines Zyklus. Sie wird manchmal auch als Zyklustiefe bezeichnet. So ergibt z. B. ein Zyklus zwischen 10 % und 80 % SoC eine Entladetiefe von 70 % DOD. Sie wird gewöhnlich in Prozent ausgedrückt.

Elektrisches Modell

Modellierung von Batterien

Ein elektrisches Modell wird verwendet, um das Verhalten einer physischen Batteriezelle nachzubilden. Häufig werden für das elektrische Modell Komponenten aus elektrischen Schaltkreisen verwendet, um das elektrische Verhalten von Batterien zu imitieren, z. B. Widerstände, Kondensatoren oder Induktoren. Mithilfe eines elektrischen Modells lässt sich das elektrische Verhalten einer Batterie auf der Grundlage eines vordefinierten Eingangsprofils vorhersagen. Ein genaues elektrisches Modell muss Effekte wie die Hysterese von Batterien und auch die Temperaturabhängigkeit der Modellparameter berücksichtigen.

Elektroden

Batteriezelle

Dünne Beschichtungen auf Aluminium- oder Kupferfolie, die aus einer Mischung von Materialien bestehen, in denen die elektrochemischen Reaktionen stattfinden.

Elektrolyt

Batteriezelle

Die Komponente in der Batterie, die es geladenen Teilchen ermöglicht, von einer Elektrode zur anderen zu gelangen, und die den Elektronenfluss blockiert. In herkömmlichen Batterien ist der Elektrolyt flüssig. In Festkörperbatterien ist der Elektrolyt ein Feststoff.

Ende des Lebens (EoL)

Batteriebegriffe

Das End-of-Life-Kriterium ist der Zeitpunkt, an dem die Zelle aus ihrer (ersten) Anwendung ausscheidet. In der Regel wird für Automobilanwendungen ein Gesundheitszustand (SoH) von 80 % oder eine Erhöhung des ohmschen Widerstands um bis zu 200 % verwendet. Nach der Automobilanwendung ist ein zweites Leben in stationären Anwendungen mit anderen EoL-Kriterien (z. B. 50 % SoH) möglich.

Eine Restkapazität von 80 % mag wie eine willkürliche Wahl erscheinen, um die Zelle aus ihrer primären Anwendung zu nehmen, aber sie könnte ihren Ursprung in der schnellen Zelldegradation haben, die über diesen Gesundheitszustand der Zelle hinausgeht. Oberhalb von 80 % der verbleibenden Kapazität ist im Allgemeinen ein quasi-linearer Kapazitätsabfall und Widerstandsanstieg zu beobachten. Nach dem Übergang von 80 % auf 70 % verhalten sich der Kapazitätsabfall und der Widerstandsanstieg eher nichtlinear, was längerfristige Vorhersagen erschwert. Die oben genannten charakteristischen Parameter wurden zwar für Zellen definiert, werden aber auch häufig für höhere Ebenen wie Module, Systeme und Batterien verwendet.

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Energie

Batteriebegriffe

Die Energie ist die Gesamtmenge an Arbeit, die eine Lithium-Ionen-Batterie leisten kann und wird normalerweise in Wattstunden (Wh) gemessen. Sie ist ein Produkt aus Batteriespannung und -kapazität und bestimmt die Dauer, für die eine Batterie ein Gerät mit Strom versorgen kann.

Energiedichte

Batteriebegriffe

Die Energiedichte ist die Energiemenge, die eine Batterie pro Volumen- (volumetrische Energiedichte) oder Gewichtseinheit (gravimetrische Energiedichte) speichern kann. Batterien mit höherer Energiedichte können mehr Energie in einem kleineren, leichteren Gehäuse speichern, was sie für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronik wünschenswert macht.

Schnellladung

Batteriebegriffe

Unter Schnellladung versteht man das Aufladen einer Batterie mit einer höheren Stromstärke oder einer höheren Spannung als bei der Standardladung, wodurch die Zeit bis zum Erreichen einer vollen Ladung verkürzt wird. Schnelles Laden kann zwar bequem sein, aber es kann mehr Wärme erzeugen und die Batterie belasten, was sich möglicherweise auf ihre Lebensdauer auswirkt. Es gibt keinen definierten Schwellenwert für die Klassifizierung von Schnellladungen. Einige Anwendungen gelten als schnelles Laden, wenn eine vollständige Aufladung innerhalb von 30 Minuten erfolgt, während andere nur dann als schnelles Laden gelten, wenn eine vollständige Aufladung innerhalb von 10 bis 12 Minuten erfolgt.

Innerer Widerstand

Batteriebegriffe

Der Innenwiderstand ist ein Maß für die erforderliche Spannung, die angelegt werden muss, damit ein bestimmter Strom fließt. Er kann zu Energieverlusten in Form von Wärme führen und die Gesamteffizienz der Batterie verringern. Faktoren wie Temperatur, Alter und Ladezustand können den Innenwiderstand einer Batterie beeinflussen, aber auch die Gesamtkonstruktion der Batterie und die verwendeten Materialien.

LCO (Lithium-Kobalt-Oxid)

Batteriezellchemien

LCO ist eine weit verbreitete Kathodenchemie für Lithium-Ionen-Batterien, die für ihre hohe Energiedichte und gute Zykluslebensdauer bekannt ist. Sie wird vor allem in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones, Laptops und Kameras verwendet. Es war die erste Zellchemie in den 1990er Jahren, als Sony die Li-Ionen-Batterie auf den Markt brachte.

LFP (Lithium-Eisen-Phosphat)

Batteriezellchemien

LFP ist eine Kathodenchemie für Lithium-Ionen-Batterien, die sich durch hohe thermische Stabilität, lange Zyklenlebensdauer und hervorragende Sicherheitsmerkmale auszeichnet. Sie wird häufig in Elektrofahrzeugen, Netzspeichersystemen und industriellen Anwendungen eingesetzt.

LMO (Lithium-Mangan-Oxid)

Batteriezellchemien

LMO ist eine Kathodenchemie für Lithium-Ionen-Batterien, die eine hohe Leistungsabgabe und gute thermische Stabilität bietet. Sie wird in Elektrowerkzeugen, Elektrofahrrädern und einigen Elektrofahrzeugen verwendet.

LTO (Lithium-Titanat)

Batteriezellchemien

LTO ist eine Anodenchemie für Lithium-Ionen-Batterien, die für ihre extrem schnelle Ladefähigkeit, lange Zykluslebensdauer und hohe Sicherheit bekannt ist. Sie wird in Anwendungen eingesetzt, die ein schnelles Laden und Entladen erfordern, wie z. B. Elektrobusse und Netzspeicher.

NCA (Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid)

Batteriezellchemien

NCA ist eine leistungsstarke Lithium-Ionen-Batteriekathodenchemie, die für ihre hohe Energiedichte, lange Zykluslebensdauer und schnelle Ladefähigkeit bekannt ist. Sie wird häufig in Elektrofahrzeugen, wie z. B. Tesla-Modellen, und tragbarer Elektronik verwendet.

NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid)

Batteriezellchemien

NMC ist eine beliebte Kathodenchemie für Lithium-Ionen-Batterien, die eine hohe Energiedichte, gute thermische Stabilität und relativ niedrige Kosten bietet. Sie wird häufig in Elektrofahrzeugen, tragbarer Elektronik und Netzspeicheranwendungen eingesetzt. Die ersten NMC-Kathoden enthielten die gleiche Menge an Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kobalt (Co) und wurden NMC111 oder NMC333 genannt. Neuere Entwicklungen erhöhten den Ni-Anteil und reduzierten den Mn- und Co-Gehalt, was zu einem Verhältnis von 8 Anteilen Ni zu 1 Anteil Mn und Co führte, auch NMC811 genannt.

Nennspannung

Batteriebegriffe

Die Nennspannung ist die durchschnittliche Spannung, mit der eine Batterie während ihres Entladezyklus arbeitet. Sie ist ein Schlüsselparameter zur Bestimmung der Kompatibilität der Batterie mit Geräten und Anwendungen. Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt die Nennspannung typischerweise zwischen 3,3 V und 3,8 V, je nach Zellchemie.

Strom

Batteriebegriffe

Die Leistung bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der eine Lithium-Ionen-Batterie Energie liefert oder verbraucht, gemessen in Watt (W). Eine Batterie mit höherer Leistung kann in einem kürzeren Zeitraum mehr Energie liefern, was schnellere Lade- und Entladeraten ermöglicht.

Selbstentladung

Batteriebegriffe

Unter Selbstentladung versteht man den Verlust von gespeicherter Energie in einer Batterie, wenn sie nicht benutzt wird. Alle Batterien weisen eine gewisse Selbstentladung auf, aber Lithium-Ionen-Batterien haben im Allgemeinen eine geringere Selbstentladungsrate als andere Speichertechnologien. Die Minimierung der Selbstentladung kann dazu beitragen, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und die optimale Leistung zu erhalten.

Separator

Batteriezelle

Der Separator ist eine wichtige Komponente in Lithium-Ionen-Batterien, die eine physische Barriere zwischen Anode und Kathode bildet, um Kurzschlüsse zu verhindern und gleichzeitig den Durchgang von Lithiumionen zu ermöglichen. Separatoren werden in der Regel aus porösen Materialien wie Polyethylen oder Polypropylen hergestellt.

Festkörperbatterien

Batteriezellchemien

Festkörperbatterien sind eine neue Technologie, bei der der flüssige Elektrolyt und der Separator in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien durch einen festen Elektrolyt ersetzt werden. Sie bieten eine höhere Energiedichte, mehr Sicherheit aufgrund des geringeren Risikos von thermischer Instabilität und eine verbesserte Lebensdauer. Allerdings stehen Festkörperbatterien vor Herausforderungen in Bezug auf Herstellung, Skalierbarkeit und Kosten. Im Idealfall ermöglicht der Einsatz von Festkörperelektrolyten die Verwendung anodenfreier Zellkonfigurationen, d. h. während des Herstellungsprozesses ist keine Anode vorhanden, sie wird jedoch bei jedem Entladevorgang in Form einer dünnen metallischen Lithiumschicht auf dem Anodenstromabnehmer erzeugt.

Ladezustand (SoC)

Batteriebegriffe

Vereinfacht ausgedrückt, gibt der Ladezustand (State of Charge, SoC) Auskunft darüber, wie viel Ladung noch in der Batterie vorhanden ist. Im Idealfall kann der SoC durch Messung der aus der Batterie entnommenen und in die Batterie zurückgeführten Ladung bestimmt werden. Eine Herausforderung besteht darin, dass die Messungen nicht ganz präzise sind, d. h. die Messung der entnommenen und der zugeführten Ladung kann unterschiedlich ausfallen, da die Sensoren nicht in der Lage sind, jede Ladungsänderung zu erfassen. Außerdem steht nicht jede Ladung, die in die Batterie eingeführt wird, später wieder zur Verfügung, da einige Prozesse im Inneren der Batterie durch Nebenreaktionen Ladung verbrauchen. Daher muss der SoC auf andere Weise bestimmt werden, nicht nur durch Messung der ein- und ausgehenden Ladung, sondern auch durch Überprüfung der resultierenden Spannung.

Die außen an der Batterie gemessene Spannung ist die Differenz zwischen dem Kathoden- und dem Anodenpotenzial. Das Kathoden- und Anodenpotenzial wird durch die Menge der im Material gespeicherten Lithiumionen bestimmt. Eine Möglichkeit wäre daher, mit Hilfe einer Nachschlagetabelle zu prüfen, welcher Spannungswert der Menge der in den Batterieelektroden gespeicherten Lithiumionen entspricht, was dann zur Bestimmung des SoC verwendet werden kann. Die Spannung selbst wird jedoch auch von der Temperatur und dem Alter der Batterie beeinflusst. Auch andere Effekte wie Polarisationen machen die SoC-Bestimmung allein durch Spannungsmessungen schwierig.

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Gesundheitszustand (SoH)

Batteriebegriffe

SoH ist im Allgemeinen definiert als das Verhältnis zwischen der aktuellen Kapazität und der ursprünglichen Kapazität. SoH wird im Allgemeinen mit Kapazitäten (SOHc) definiert. SoH kann jedoch auch als Widerstandserhöhung (SOHr) definiert werden oder auf der verfügbaren Energie im Vergleich zur Anfangsenergie basieren (SOHe). Manchmal wird SoH auch zwischen 0 und 1 skaliert, wobei 1 für eine neue Zelle steht und 0, wenn die Zelle das End of Life-Kriterium erreicht (z. B. 80 % Restkapazität).

SoH ist ein anspruchsvoller KPI. Erstens wird oft nicht auf die richtige Formulierung des SoH geachtet. Da der Wert ein Ergebnis ist, das auf der Teilung zweier Werte beruht, müssen wir sicherstellen, dass beide Werte tatsächlich vergleichbar sind. Das heißt, das Kapazitätsangebot muss unter den gleichen Bedingungen ermittelt werden wie die Ausgangskapazität. Konkret bedeutet das, dass z.B. die Spannungs- oder Ladezustandsgrenzen gleich sein müssen. Andernfalls stellen die verfügbare und die Anfangskapazität unterschiedliche Zustände dar und sind nicht vergleichbar.

Zweitens muss die verfügbare Kapazität, Energie oder der Widerstand während des täglichen Betriebs ermittelt werden, der dynamischen und unkontrollierten Mustern folgt. Zusätzlich beeinflussen die Temperatur und die Betriebsgeschichte die verfügbare Kapazität, Energie und den Widerstand, aber ihr Einfluss muss kompensiert werden, um den tatsächlich verfügbaren Zustand zu bestimmen. Daher sind hochentwickelte Modelle und Algorithmen erforderlich, um auch bei verrauschten und unkontrollierten Felddaten genaue Ergebnisse zu erzielen.

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Thermisches Modell

Modellierung von Batterien

Ein thermisches Modell ahmt die thermische Reaktion einer Batteriezelle auf eine angelegte Last nach. Das thermische Verhalten ist die Reaktion aufgrund der reversiblen und irreversiblen Erzeugung von Wärme. Irreversible Wärmeerzeugung wird durch Effekte wie Joule'sche Erwärmung und interne, chemische Nebenreaktionen angetrieben. Reversible Wärme entsteht durch die Entropieänderungen der jeweiligen Materialien während elektrochemischer Reaktionen.

Thermische Instabilität

Batteriebegriffe

Thermische Instabilität ist ein gefährlicher Zustand, bei dem die Temperatur einer Batterie aufgrund einer unkontrollierbaren exothermen Reaktion (d. h. Reaktionen erzeugen Wärme, die weitere Reaktionen auslösen, die ihrerseits noch mehr Wärme erzeugen) rasch ansteigt und zur Freisetzung giftiger Gase, zu einem Brand oder einer Explosion führt. Zu den Faktoren, die zu einem thermischen Durchgehen führen und dazu beitragen, gehören interne Kurzschlüsse, Überladung, übermäßige Hitze und mechanische Beschädigungen.

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