Batterie-Enzyklopädie
Alles, was Sie über Batterien wissen möchten, von A bis Z, zusammengestellt von den TWAICE-Experten.

Recyclebarkeit ist die Fähigkeit einer Batterie, nach ihrem ersten Lebenszyklus verarbeitet und wiederverwendet zu werden. Dieser Prozess trägt dazu bei, die Umweltbelastung zu verringern und wertvolle Materialien wie Nickel, Kobalt und Kupfer für die künftige Batterieproduktion zurückzugewinnen.
Bei der Regulierung geht es um die Umsetzung von Gesetzen und Richtlinien für die Herstellung, Verwendung und Entsorgung von Batterien. Diese Vorschriften gewährleisten Sicherheit, Umweltschutz und faire Marktpraktiken. Die Batterierichtlinie der Europäischen Union schreibt beispielsweise bestimmte Recyclingraten für Batteriematerialien vor und verpflichtet die Hersteller zur Einhaltung von Kennzeichnungs- und Leistungsstandards, um die Umweltbelastung zu verringern und die Sicherheit der Verbraucher zu erhöhen. In den Vereinigten Staaten legt der Battery Act (Battery Management and Recovery Act) Richtlinien für das Recycling und die Entsorgung von Batterien fest, die darauf abzielen, Umweltgefahren zu minimieren und die sichere Handhabung von Batterien während ihres gesamten Lebenszyklus zu fördern.
Die Relaxationszeit ist der Zeitraum, den eine Batterie benötigt, um nach dem Laden oder Entladen eine stabile Spannung und Temperatur zu erreichen. Die Kenntnis der Relaxationszeiten ist entscheidend für eine genaue Abschätzung des Lade- und Gesundheitszustands.
Im Zusammenhang mit Batterien und Energiesystemen bezieht sich die Zuverlässigkeit auf die Fähigkeit des Systems, seine erforderlichen Funktionen unter den erwarteten Bedingungen über einen bestimmten Zeitraum zu erfüllen. Sie ist ein entscheidender Faktor bei Anwendungen wie Stromnetzen, Elektrofahrzeugen und tragbarer Elektronik.
Die verbleibende Energiekapazität in einer Batterie, die angibt, wie viel Ladung noch gespeichert werden kann. Die Kenntnis der Restkapazität ist wichtig für die Verwaltung des Energieverbrauchs, die Planung von Aufladungen und die Vermeidung von unerwartetem Energieverlust. Sie spielt auch eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Endes der Lebensdauer einer Batterie, wenn ihre Kapazität unter einen bestimmten Schwellenwert ihrer ursprünglichen Kapazität fällt.
Die Dauer, für die eine Batterie oder ein System unter bestimmten Bedingungen mit einer einzigen Ladung betrieben werden kann.
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ist ein industrielles Automatisierungssoftwaresystem, das die zentrale Überwachung, Echtzeit-Datenerfassung und Fernsteuerung von Infrastrukturanlagen ermöglicht.
Ein SCADA-System umfasst in der Regel Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs), speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs), Sensoren und Kommunikationsprotokolle, die einen sicheren und zuverlässigen Datenfluss zwischen Geräten und Bedienern gewährleisten.
Bezieht sich auf den Bereich, in dem der Gesundheitszustand (SOH) einer Batterie mit einer gewissen Sicherheit erwartet werden kann. Er liefert ein statistisches Maß für die Unsicherheit oder Variabilität der SOH-Schätzung.
Der Spannungsbereich, in dem eine Batterie oder ein Gerät sicher betrieben werden kann, ohne dass die Gefahr von Schäden oder unsicheren Bedingungen besteht.
Dieses Konzept beinhaltet die Wiederverwendung gebrauchter Batterien (häufig aus Elektrofahrzeugen) für neue Anwendungen, die in der Regel weniger anspruchsvoll sind als ihre ursprüngliche Verwendung. So können beispielsweise Elektrofahrzeugbatterien, deren Degradation unter ein für die Fahrzeugnutzung akzeptables Niveau gesunken ist, noch für stationäre Energiespeicheranwendungen geeignet sein.
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.
Diese Modelle verwenden eine Kombination aus theoretischen Grundlagen und empirischen Daten, um das Verhalten einer Batterie nachzubilden. Sie schließen die Lücke zwischen rein theoretischen Modellen und solchen, die ausschließlich auf Beobachtungsdaten beruhen.
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.
Der Strombinnenmarkt (Single Electricity Market, SEM) ist ein einheitlicher Stromgroßhandelsmarkt, der es mehreren Ländern ermöglicht, innerhalb eines gemeinsamen regulatorischen und operativen Rahmens grenzüberschreitend Strom zu handeln. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der SEM zwischen Irland und Nordirland, wo Erzeuger und Versorger unter einem einzigen Ausgleichs- und Abrechnungssystem arbeiten. SEMs verbessern die Netzeffizienz, fördern den Wettbewerb und unterstützen die Integration erneuerbarer Energien.
Eine Lademethode für Batterien, bei der über einen längeren Zeitraum ein geringerer Strom verwendet wird, um die Batterie zu schonen und ihre Lebensdauer zu verlängern.
Der Prozess der Schätzung des Ladezustands einer Batterie, der das aktuelle Energieniveau im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität angibt. Eine genaue SoC-Schätzung ermöglicht den optimalen Betrieb von Batteriesystemen und verhindert Überladung oder Tiefentladung , die die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen können. Die Techniken zur SoC-Schätzung reichen von einfachen spannungsbasierten Methoden bis hin zu komplexeren Algorithmen, die mehrere Variablen und historische Daten einbeziehen.
Natrium-Schichtoxide sind eine Klasse von Materialien, die durch ihre geschichtete Kristallstruktur gekennzeichnet sind, bei der Natriumionen (Na) zwischen Schichten von Metalloxiden eingelagert sind. Der Begriff "geschichtet" bezieht sich auf die Stapelung von abwechselnden Schichten aus Natriumionen und Übergangsmetalloxiden, was häufig zu einer zweidimensionalen Struktur führt. Natrium-Schichtoxide sind im Bereich der Energiespeicherung von besonderem Interesse, insbesondere für die Verwendung in Natrium-Ionen-Batterien, da sie in der Lage sind, Natriumionen während der Lade- und Entladezyklen reversibel ein- und auszulagern. Die Eigenschaften dieser Materialien, wie Kapazität, Stabilität und Leitfähigkeit, können durch Variation der Art des Übergangsmetalls und der Natriummenge in der Struktur eingestellt werden.
Dabei handelt es sich um eine Art von wiederaufladbaren Batterien, die Natriumionen als Ladungsträger verwenden. Natrium-Ionen-Batterien sind attraktiv, da Natrium im Vergleich zu Lithium reichlich vorhanden und kostengünstig ist, was sie zu einer potenziell nachhaltigeren und kostengünstigeren Option für die Energiespeicherung in großem Maßstab macht.
Eine Schicht, die sich während der ersten Ladezyklen auf der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt (auf der Anodenoberfläche ) einer Lithium-Ionen-Batterie bildet. Sie trägt zwar zur Stabilisierung des Batteriebetriebs bei, aber ihr Wachstum führt mit der Zeit auch zu Kapazitätsverlusten und einer Erhöhung des Widerstands .
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 durch ein geringeres Risiko von thermal runaway und eine längere Lebensdauer. Festkörperbatterien stehen jedoch 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, sondern sie wird bei jedem Entladevorgang in Form einer dünnen metallischen Lithiumschicht auf dem Anodenstromabnehmer erzeugt.
Dabei handelt es sich um Algorithmen, die in Batteriemanagementsystemen (BMS) verwendet werden, um wichtige Batterieparameter zu schätzen, die vom BMS nicht gemessen werden können, wie z. B. Ladezustand und Gesundheitszustand. Kalman-Filter beispielsweise verwenden eine Reihe von Messungen, die im Laufe der Zeit beobachtet wurden und statistisches Rauschen und andere Ungenauigkeiten enthalten, und liefern Schätzungen unbekannter Variablen, die in der Regel präziser sind als solche, die auf einer einzigen Messung beruhen.
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 Nachschlagtabelle 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. Andere Effekte wie Polarisationen machen die SoC-Bestimmung allein durch Spannungsmessungen ebenfalls schwierig.
Sie 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. Ansonsten 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.
Damit ist die Berechnung des Wertes gemeint, unter den ein bestimmter Prozentsatz der Beobachtungen in einem Datensatz fällt. So ist beispielsweise das 50. Perzentil (Median) der Wert, unter dem 50 % der Beobachtungen liegen können. Die Berechnung des Perzentils wird häufig verwendet, um die Verteilung und die Tendenzen in einem Datensatz zu verstehen, z. B. die Leistungsbenchmarks in Batterielebenszyklen oder Energieverbrauchsmuster.
Ein Energiespeicher, der eine hohe Leistungsdichte und schnelle Lade-/Entladefähigkeiten bietet und in einigen Anwendungen Batterien ergänzt oder ersetzt.
Nachhaltigkeit bei Batterien bedeutet, Batteriesysteme so zu entwickeln und zu verwalten, dass die Auswirkungen auf die Umwelt so gering wie möglich sind und ein langfristiges ökologisches Gleichgewicht gefördert wird. Dazu gehören die Verwendung umweltfreundlicher Materialien, effiziente Produktionsmethoden und effektive Recyclingverfahren.
Ein theoretischer Rahmen zum Verständnis und zur Vorhersage der Kräfte, die durch das Schwellen von Batteriekomponenten während des Betriebs entstehen.
Der physikalische Ausdehnungsdruck, der von Gasen oder Elektrolyten innerhalb einer Batteriezelle ausgeübt wird. Dies kann durch interne Reaktionen verursacht werden, insbesondere bei defekten oder beschädigten Zellen, die zu einer physikalischen Schwellung der Batterie führen.
Die Systemauslegung im Zusammenhang mit der Batterietechnologie umfasst die Planung und Konfiguration des gesamten Batteriesystems, um spezifische Leistungs- und Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Dazu gehören die Auswahl geeigneter Komponenten, die Definition der Systemarchitektur und die Gewährleistung von Kompatibilität, Sicherheit und Effizienz während des gesamten Lebenszyklus der Batterie.
Dieser Begriff bezieht sich auf Zeiten, in denen ein System, z. B. ein Kraftwerk oder ein Batteriespeicher, nicht in Betrieb ist. Ausfallzeiten können geplant (für Wartungsarbeiten) oder ungeplant (aufgrund von Ausfällen oder externen Faktoren) sein. Die Minimierung von Ausfallzeiten ist entscheidend für die Maximierung von Effizienz und Zuverlässigkeit.
Die Mindest- und Höchsttemperaturen, innerhalb derer eine Batterie sicher betrieben werden kann, wobei Leistung und Langlebigkeit erhalten bleiben.
Die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie zu absorbieren, zu speichern und wieder abzugeben. In Batteriesystemen kann eine hohe thermische Masse dazu beitragen, Temperaturschwankungen zu dämpfen, was für die Aufrechterhaltung der Gesundheit und Sicherheit der Batterie entscheidend sein kann.
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.
Dieses Phänomen in Batteriesystemen bezieht sich auf die Ausbreitung von übermäßiger Hitze von einem Teil der Batterie zu einem anderen. Besonders gefährlich kann es bei großen Batteriepacks sein, da sich die Wärme einer überhitzten Zelle auf die benachbarten Zellen ausbreiten kann, was möglicherweise zu thermal runawayführen kann, wo die Temperatur unkontrolliert weiter ansteigt.
Thermal runaway ist ein gefährlicher Zustand, bei dem die Temperatur einer Batterie aufgrund einer unkontrollierbaren exothermen Reaktion schnell ansteigt (d. h. Reaktionen erzeugen Wärme, die weitere Reaktionen auslösen, die wiederum noch mehr Wärme erzeugen), was zur Freisetzung giftiger Gase, zu einem Brand oder einer Explosion führt. Zu den Faktoren, die zu thermal runaway führen und beitragen, gehören interne Kurzschlüsse, Überladung, übermäßige Hitze und mechanische Schäden.
Titan wird häufig in der Anode von Lithium-Titanat-Batterien (Li₄Ti₅O₁₂ oder LTO) verwendet, wo es schnelles Aufladen, hervorragende Zyklenstabilität und erhöhte Sicherheit bietet. Titan kommt auch in bestimmten Kathodenmaterialien vor und trägt zur Stabilität und Sicherheit bei, obwohl es in der Regel zu einer geringeren Energiedichte im Vergleich zu anderen Materialien führt.
Dieses Phänomen tritt bei einigen Lithium-Ionen-Batterien auf, bei denen sich Übergangsmetalle aus dem Kathodenmaterial (wie Nickel, Mangan oder Kobalt) im Elektrolyten auflösen. Dieser Prozess kann durch Faktoren wie hohe Temperaturen oder Überladung beschleunigt werden. Die gelösten Metalle können sich dann auf der Anode ablagern, was zu einer Verringerung der Kapazität und Lebensdauer der Batterie führt.
Ein Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) ist eine Einrichtung, die für den Betrieb, die Wartung und den Ausbau des Hochspannungsstromübertragungsnetzes zuständig ist. Die ÜNB sorgen für einen zuverlässigen und sicheren Stromfluss von den Erzeugungsquellen zu den Verteilungsnetzen oder den industriellen Großverbrauchern. Sie spielen eine wichtige Rolle beim Ausgleich von Angebot und Nachfrage, bei der Erleichterung des grenzüberschreitenden Energieaustauschs und bei der Einbindung erneuerbarer Energien in das Netz. Die ÜNB werden reguliert, um Transparenz, Neutralität und Netzstabilität auf den nationalen und regionalen Strommärkten zu gewährleisten.
Die UL 1741 definiert Sicherheitsstandards für Energieumwandlungs- und Verbindungseinrichtungen, die in dezentralen Energieressourcen (DERs), einschließlich Energiespeichersystemen, eingesetzt werden. Bei BESS-Anwendungen gewährleistet sie den sicheren Betrieb von Wechselrichtern und Steuerungssystemen, insbesondere im netzgekoppelten Betrieb. In Kombination mit IEEE 1547 und geprüft nach UL 1741 SA/CRD-Protokollen unterstützt es die Netzinteroperabilität und Anti-Inslandungsfunktionen.
UL 1973 ist eine Produktsicherheitsnorm speziell für Batterien, die in stationären Anwendungen, einschließlich BESS, eingesetzt werden. Sie bewertet die Sicherheit von Batteriemodulen und -systemen unter normalen und fehlerhaften Bedingungen und deckt die elektrische, mechanische und umwelttechnische Leistung ab. Die Zertifizierung nach UL 1973 wird häufig von den zuständigen Behörden für die Erteilung von Genehmigungen und die Einhaltung von Vorschriften verlangt.
UL 9540A ist ein standardisiertes Prüfverfahren für die Brandsicherheit von Batterien, das zur Bewertung der Risiken des thermal runaway und der Brandausbreitung in Energiespeichersystemen verwendet wird. Sie wird häufig für groß angelegte BESS-Einsätze benötigt, um die Gefahren auf Systemebene zu bewerten.
Ein Zustand, in dem die Spannung einer Batterie unter den für den Betrieb erforderlichen Mindestwert fällt, was zu einer verminderten Leistung oder Beschädigung führen kann. Der Betrieb einer Batterie unter Unterspannung kann zu irreversiblen Schäden und einer verminderten Batteriekapazität führen.
Die nutzbare Energie ist der Anteil der Gesamtenergie, den ein System derzeit liefern kann, ausgedrückt in Megawattstunden (MWh) und als Prozentsatz seiner ursprünglichen Kapazität. Sie erfasst die derzeitige Leistung des Systems und berücksichtigt Faktoren wie irreversible Alterung, das Vorhandensein schwacher oder degradierter Zellen, Ungleichgewichte im Ladezustand und Offline-Komponenten. Sie stellt also sowohl die jetzt verfügbare Energie als auch die Marge dar, die durch Korrekturmaßnahmen möglicherweise wiedergewonnen werden könnte.
Volatilität im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien bezieht sich auf die schnellen und unvorhersehbaren Schwankungen bei der Energieerzeugung und -versorgung. Effektive Batteriesysteme tragen dazu bei, diese Volatilität zu mildern, indem sie überschüssige Energie während der Produktionsspitzen speichern und sie in Zeiten geringer Erzeugung wieder abgeben und so eine stabile und zuverlässige Stromversorgung gewährleisten
Die Spannung, die oft in Volt (V) gemessen wird, ist die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis. Sie ist vergleichbar mit dem Druck in einer Wasserleitung, der Elektronen durch einen Leiter treibt. In Batterien bestimmt sie, wie viel elektrische Energie gespeichert und abgegeben werden kann.
Bei einem Batteriemodul mit mehreren Zellen bezieht sich die Verteilung der Spannung auf den Unterschied zwischen den Spannungsniveaus der Zellen. Eine ungleichmäßige Spannungssverteilung kann auf Probleme wie Ungleichgewichte zwischen den Zellen hinweisen und die Gesamtleistung und den Zustand des Akkupacks beeinträchtigen.
WECC (Western Electricity Coordinating Council) ist eine regionale Organisation, die für die Koordinierung der Zuverlässigkeit und Sicherheit des Stromnetzes im westlichen Verbundgebiet Nordamerikas zuständig ist. Diese Region umfasst die westlichen Teile der Vereinigten Staaten, Kanadas und einen Teil von Mexiko. Die Hauptaufgabe des WECC besteht darin, den zuverlässigen Betrieb des Stromverbundsystems zu gewährleisten, Zuverlässigkeitsstandards zu entwickeln und durchzusetzen und die Koordinierung zwischen den Versorgungsunternehmen und Netzbetreibern in der Region zu erleichtern.
Der Großhandel auf den Energiemärkten umfasst den groß angelegten An- und Verkauf von Strom zwischen Erzeugern, Einzelhändlern und Großverbrauchern, bevor der Strom die Endverbraucher erreicht. Der Handel erfolgt in der Regel über Strombörsen, bilaterale Verträge und außerbörsliche Märkte (OTC). Energiegroßhandelsmärkte sind für die Preisermittlung, die Liquidität und die Netzplanung von wesentlicher Bedeutung und arbeiten häufig im Day-Ahead- und Intraday-Zeitrahmen.