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3 Elektrochemische Wandler

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Präsentation zum Thema: "3 Elektrochemische Wandler"—  Präsentation transkript:

1 3 Elektrochemische Wandler
3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

2 3 Elektrochemische Wandler
Batterien\Batt8.tif und Batt3.tif Voltasche Säule Rittersche Säule Erste galvanische Elemente um 1800

3 3 Elektrochemische Wandler Erste wieder aufladbare Ladungssäule
Batterien\Batt4.tif Erste wieder aufladbare Ladungssäule von Ritter um 1803

4 3 Elektrochemische Wandler Bleiakkumulator von Planté von 1859
Batterien\Batt7.tif Bleiakkumulator von Planté von 1859 (rechts im Bild)

5 3 Elektrochemische Wandler
Erste Verwendung von Bleirillenplatten zur Fixierung und Stabilisierung der aktiven Masse um 1881 Batterien\Batt6.tif

6 3 Elektrochemische Wandler
Erster Akkumulator der AFA um 1888 Batterien\Batt5.tif

7 3 Elektrochemische Wandler
Wartungsfreie Bleiakkumulatoren ab 1957 Batterien\KuZ_73.jpg

8 3 Elektrochemische Wandler
Brennstoffzellen-Stack Leistung: 400 W 1967 Batterien\Brennstoffzelle2.jpg Quelle: AG Brown Boveri & Cie.

9 3 Elektrochemische Wandler
Versuchs- fahrzeug mit Brennstoffzellen- Batterie Leistung: 2 kW 1967 Batterien\Brennstoffzelle2.jpg Quelle: AG Brown Boveri & Cie.

10 3 .1.1 Batterien - Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

11 3 .1.1 Batterien - Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen
Starter-/Bordnetz- Batteriesysteme 12 V/24 V Fahrantrieb ausschließlich durch Verbrennungsmotor Energieabgabe: im Motorstillstand und bei erhöhtem Strombedarf Energieaufnahme (Nachladen), wenn Leistungsbedarf der Verbraucher, kleiner als Generatorleistung gespeicherte Energiemenge: 0, ,5 kWh entnehmbare Leistung: ( ) W nach Dg049 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen (Pkw)

12 Traktionsbatteriesysteme (> 100 V)
Batterien - Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen Starter-/Bordnetz- Batteriesysteme 12 V/24 V Traktionsbatteriesysteme (> 100 V) Fahrantrieb ausschließlich durch Verbrennungsmotor Fahrantrieb ausschließlich durch Elektromotor (Zero Emission Vehicle) Energieabgabe: im Motorstillstand und bei erhöhtem Strombedarf Energieabgabe an Antriebsmotor nahezu über gesamte Fahrzeit Energieaufnahme (Nachladen), wenn Leistungsbedarf der Verbraucher, kleiner als Generatorleistung Energieaufnahme nur beim Bremsen (Rekuperation) Externes Nachladen an Steckdose gespeicherte Energiemenge: 0, ,5 kWh entnehmbare Leistung: ( ) W kWh kW nach Dg049 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen (Pkw)

13 Traktionsbatteriesysteme (> 100 V)
Batterien - Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen Starter-/Bordnetz- Batteriesysteme 12 V/24 V Traktionsbatteriesysteme (> 100 V) Fahrantrieb ausschließlich durch Verbrennungsmotor Fahrantrieb ausschließlich durch Elektromotor (Zero Emission Vehicle) Fahrantrieb durch Elektromotor und Verbrennungsmotor (Hybridantriebe) Energieabgabe: im Motorstillstand und bei erhöhtem Strombedarf Energieabgabe an Antriebsmotor nahezu über gesamte Fahrzeit Energieabgabe an Antriebsmotor bei niedriger Fahrleistung und im Boosterbetrieb Energieaufnahme (Nachladen), wenn Leistungsbedarf der Verbraucher, kleiner als Generatorleistung Energieaufnahme nur beim Bremsen (Rekuperation) Externes Nachladen an Steckdose Energieaufnahme (Nachladen) bei Antrieb durch Verbrennungsmotor und beim Bremsen event. ext. Nachladen gespeicherte Energiemenge: 0, ,5 kWh entnehmbare Leistung: ( ) W kWh kW kWh kW nach Dg049 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen (Pkw)

14 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.2.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

15 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

16 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

17 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

18 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

19 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

20 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

21 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047

22 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
nach Dg047 Versuchsstadium

23 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
Blei (Spiralstruktur) Lithium-Ionen-Technologie Hochleistung Hochenergie Leistungs- dichte 10.000 [W/kg] 1.000 NiCd NiMH 100 Doppelschicht- kondensatoren NaNiCl2 (Zebra) 10 nach Dg047 Blei (konv.) 1 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Energiedichte [Wh/kg] Akkumulatortechnologien (Stand 2011) Quelle: ATZ elektronik 03/2011

24 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
Dieselkraftstoff 400 kWh chemische Energie Druckwasserstoff 6 kg H2 bei 700 bar 200 kWh chemische Energie Li-Ion Batterie 100 kWh elektrische Energie Vergleich von Masse und Volumen für 500 km Reichweite Quelle: CEP / Prof. von Unwerth – TU Chemnitz, eCarTec (Messe München)

25 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
Strom Drehstromsteckdose 10 kW Wasserstoff Tankstelle kW (ca. 1 kg/min) Benzin Zapfsäule kW (ca. 50 l/min) 1 min „Tanken“ = 1 km fahren 1 min Tanken = 100 km fahren 1 min Tanken = km fahren Betankungsdauer Quelle: Prof. von Unwerth – TU Chemnitz

26 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
= Anschlussleistung einer Zapfsäule entspricht 27 MW Bei etwa Tankstellen mit durchschnittlich 6 Zapfsäule ergibt sich eine Gesamtanschlussleistung aller Tankstellen in Deutschland von: Annahme: Volumenstrom durch Zapfventil ca. 50l/min, Dichte Benzin 0,74 kg/l, Heizwert ca. 11,4 kWh/kg x 6 x 27 MW = GW Wollte man nach einer kompletten Umstellung auf alternative Antriebe mit einem vergleichbarem Komfort Energie auf die Fahrzeuge übertragen, so würde dies selbst unter Berücksichtigung eines deutlich höheren Wirkungsgrades eine Anschlussleistung von mind. 600 GW erfordern. Hingegen beträgt die gesamte installierte elektrische Leistung in Deutschland laut Netzagentur zur Zeit nur etwa 190 GW! Quellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage und https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Petrol_pumps?uselang=de#/media/File:Petrol_pump_mp3h0355.jpg

27 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich
Energiemenge des jährlichen Kraftstoffverbrauchs in Deutschland etwa: 55 Mrd. kg x 12 kWh/kg = 660 TWh Unter Berücksichtigung des höheren Wirkungsgrades von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben würden bspw. nur noch etwa 165 TWh benötigt (grobe Schätzung). Hingegen beträgt die Bruttostrom- erzeugung in Deutschland zurzeit etwa 614 TWh jährlich. Schlussfolgerungen: Bei Umstellung aller Kraftfahrzeuge auf alternative Antriebe – insbesondere mit batterie- gestützten Elektronantrieben – wäre eine Schnellladung nach den heutigen Maßstäben für einen Betankungsvorgang ausgeschlossen. Hingegen ist eine leistungsärmere, d.h. langsamere Bereitstellung von elektr. Energie selbst bei kompletter Umstellung aller Fahrzeuge auf Elektroantrieb bei vergleichsweise geringen Investitionen in die Infrastruktur möglich.  lange Ladezeiten (z.B. über Nacht) oder Fahren unter „Draht“ Quelle: https://mediathek.fnr.de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biokraftstoffe/biokraftstoffe-in-deutschland.html

28 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

29 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Leitung des elektrischen Stromes durch: freie oder locker gebundene Elektronen in Metallen, Metalllegierungen, Metallverbindungen, Metalloxiden, Metallsulfiden und Metallkarbiden.  Elektronenleitung (Leitung der ersten Art). spezifische Leitfähigkeit von Kupfer: κCu = 58 S m / mm² Wanderung positiv und negativ geladene Teilchen - also Stofftransport - unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Salzen, Salzlösungen, Schmelzen, Säuren und Laugen.  Ionenleitung / elektrolytische Leitung (Leitung der zweiten Art). spezifische Leitfähigkeit von verdünnter Schwefelsäure : κH2SO4 = 70 µS m / mm²

30 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Wird Metall in Elektrolyt getaucht  Elektrode mit Phasenübergang Metall/Metallionenlösung Metall - Metall + Elektrolyt M+ - M+ Treten Metallionen aus Metall in die Lösung über, verbleiben Elektronen in der metallischen Phase.  Elektronenüberschuss, Gehen Metallionen aus der Lösung auf feste Phase über, fehlen Elektronen in der metallischen Phase.  Elektronenmangel,  negative Aufladung der Elektrode.  positive Aufladung der Elektrode. Lösungsdruck (stärker ausgeprägt bei unedleren Metallen) Osmotischer Druck /Abscheidungsdruck (stärker ausgepr. bei edleren Metallen)  Potenzialdifferenz zwischen Metall und Lösung.

31 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Metall - Metall + Elektrolyt M+ - M+ Lösungsdruck Anziehung Absch.druck Abstoßung φ  Potenzialdifferenz zwischen Metall und Lösung. Potenzialdifferenz ist Ionenwanderung entgegen gerichtet.  Übertritt von Ionen kommt bei Erreichen eines Gleichgewichtszustandes zum Stillstand.  Galvanispannung einer Elektrode (φ) (nicht messbar).

32 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Metall 1 - Metall 2 + Elektrolyt M+ - M+ φ1 φ2 Zwei Elektroden  galvanisches Element (Zelle). (Daher wird eine Elektrode in Lösung auch Halbzelle genannt.) Uq = φ1 – φ2 Quellenspannung (Zellenspannung) = Galvanispannung 1 – Galvanispannung 2. Abhängig von: - Elektroden-Standardpotenzial (elektrochemische Spannungsreihe); - Konzentration der Ladungsträger, Temperatur (Nernst‘sche Gleichung).

33 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Werden Elektroden elektrisch verbunden, entsteht ein Stromkreis. Elektronen wandern von negativer zu positiver Elektrode. - M+ Metall 1 - Metall 2 + Elektrolyt M+ - - M+ M+ M+ M+ - - M+ M+ M+ M+ - - M+ M+ M+ φ1 φ2 Damit wird der Gleichgewichtszustand an den Elektroden aufgehoben und ein andauernder Prozess in Gang gesetzt. (Zumindest so lange, bis das aktive Material aufgebraucht ist.)

34 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen Elektrochemische Spannungsreihe
reduzierte Form oxidierte + z . e- Standard- potenzial E0 unedle Metalle Lösungsdruck Li Li+ + e- -3,045 Na Na+ -2,71 Zn Zn2+ + 2 . e- -0,76 Fe Fe2+ -0,41 Cd Cd2+ -0,40 Pb + SO42- PbSO4 -0,36 Ni Ni2+ -0,25 H2 + 2 H2O 2H3O+ Cu Cu2+ +0,34 Ag Ag+ +0,80 Au Au3+ + 3 . e- +1,50 PbSO H2O PbO2 + SO H+ +1,67 2 F- F2 +2,87 Abscheid.druck edle Metalle E = E0 + (RT / zF) · ln (cox / cred) mit E Spannung (V) E0 Standardpotenzial (V) R Gaskonstante (8,31227 J/K mol) T Temperatur (K) z übertragene Anzahl von Elektronen pro Atom F Faradaykonstante (96485,34 C/mol) cox , cred Konzentrationen (mol/l) (anstelle cox , cred werden genauer die Aktivitäten aox , ared verwendet) vereinfacht: E = E0 + (0,058 / z) · log (cox / cred) Elektrochemische Spannungsreihe (Auszug) Nernst‘sche Gleichung

35 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Elektronenabgabe = Oxidation Elektronenaufnahme = Reduktion Redoxvorgang Freiwillig ablaufender Vorgang  Galvanismus (im Akkumulator: Entladung) Chemische Stoffumwandlung unter Abgabe elektrischer Energie. Erzwungener Vorgang  Elektrolyse (im Akkumulator: Aufladung) Chemische Stoffumwandlung unter Aufnahme elektrischer Energie. Einteilung der galvanischen Elemente: 1. Primärelemente: Einmalig zu entladende Elemente, Reaktionsprodukte lassen sich im Element nicht regenerieren. 2. Sekundärelemente: Elemente lassen sich mehrmals wieder aufladen (regenerieren). 3. Brennstoffzellen: Kontinuierliche Stromerzeugung, solange Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden.

36 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen
Dg0188a.doc Brennstoffzelle

37 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

38 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge
Minusplatte Elektrolyt Plusplatte (verdünnte Schwefelsäure) - - Säuredichte: 1,28 g/cm 3 geladen: H SO 2 4 H O 2 Pb + ( 0) - PbO 2 (4+) H SO 2 4 Wasser- anteil Säure- anteil H O 2 entladen: PbSO 4 (2+) PbSO 4 (2+) 3 Säuredichte: 1,12 g/cm Pb SO H O + Pb SO Pb H SO PbO 2 4 laden entladen nach Dg047 G aufladen entladen Elektro- chemische Vorgänge im Blei- akkumulator

39 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge Primärvorgang – Elektronenprozess
- Minusplatte Plusplatte Pb H2O H2SO4 PbO2 - H2O + Pb2+ H2SO4 H2O 2e- + Pb2+ H2SO4 Pb4+ + 2e- H2SO4 H2O Pb PbO2 H2O H2O 2O2- Primärvorgang – Elektronenprozess (Entladung)

40 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge
- - Minusplatte Plusplatte H2O Pb PbSO4 H2SO4 PbO2 PbSO4 - H2O + H2O Pb2+ H2SO4 2e- + Pb2+ H2SO4 Pb4+ + 2e- H2SO4 H2O Pb PbO2 H2O H2O 2O2- Sekundärvorgang – Stabilisierung/Kristallisation in angesäuerter Bleisulfatlösung (Entladung)

41 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge
- - Minusplatte Plusplatte H2O Pb PbSO4 H2SO4 PbO2 PbSO4 - H2O + H2O Pb2+ H2SO4 2e- + Pb2+ H2SO4 Pb4+ + 2e- H2SO4 H2O Pb PbO2 H2O H2O 2O2- Sekundärvorgang – Stabilisierung/Kristallisation in angesäuerter Bleisulfatlösung (Entladung)

42 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge
- - Minusplatte Plusplatte H2O Pb PbSO4 H2SO4 PbO2 PbSO4 - H2O + H2O Pb2+ H2SO4 2e- + Pb2+ H2SO4 Pb4+ + 2e- H2SO4 H2O Pb PbO2 H2O H2O 2O2- 2 H2O Sekundärvorgang – Stabilisierung/Kristallisation in angesäuerter Bleisulfatlösung (Entladung)

43 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge
Beim Entladen entsteht Bleisulfat als Überzug an den Platten. Es wird Säure verbraucht, Wasser entsteht.  Säuredichte nimmt ab.  Quellen- bzw. Zellenspannung nimmt ab (Nernst‘sche Gleichung). Spannungsgleichung (als zugeschnittene Größengleichung): positive Teilspannung (gegenüber einer Cadmium-Hilfselektrode): Uq1 = 1,2 V + 0,8 V . ρ [g/cm³] negative Teilspannung (gegenüber einer Cadmium-Hilfselektrode): Uq2 = 0,36 V - 0,2 V . ρ [g/cm³] Spannungsdifferenz = Quellen- bzw. Zellenspannung: Uq = 0,84 V + 1,0 V . ρ [g/cm³] Bei einer geladenen Batterie (ρ = 1,28 g/cm³) beträgt die Zellenspannung 2,12 V (12,72 V) *. Bei einer entladenen Batterie (ρ = 1,12 g/cm³) beträgt die Zellenspannung 1,96 V (11,76 V) *. (* im eingeschwungenen Zustand)

44 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

45 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Elektrochemischen Vorgängen sind physikalische Grenzen gesetzt, welche die Kenngrößen einer Bleibatterie mit bestimmen. Beim Entladen bildet sich an den Platten Bleisulfat als Überzug. Bleisulfat ist ein Nichtleiter und trennt mit zunehmender Entladung die aktive Masse vom Elektrolyten.  Innenwiderstand wächst, Behinderung der elektrochemischen Reaktionen. Gegenmaßnahme: Verhältnis von Oberfläche zu Volumen so groß wie möglich machen.

46 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Minusplatte Elektrophysikalische Vorgänge dünne Platten Batterien\elektrophysik.cdr

47 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Minusplatte Elektrophysikalische Vorgänge dünne Platten poröse Oberfläche Elektrochemische Vorgänge finden in den Poren der Bleiplatten statt. Batterien\elektrophysik.cdr „äußere“ Säure „innere“ Säure Diffusionsvorgänge (Einschwingzeit)

48 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

49 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Bilden von Bleisulfat entsprechend entnommener Strommenge.  Poren wachsen zu aufgrund des größeren Volumens von Bleisulfat. Diffusionswiderstand steigt, Konzentration der inneren Säure nimmt stärker ab, d.h. ρinnen < ρaußen. Batterien\elektrophysik.cdr Ohmsche Widerstände der Platten und des Elektrolyten nehmen zu.  Anwachsen des Innenwiderstandes

50 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Dg051.doc Bleiakkumulator - Entladekennlinien Sind erreichbare aktive Masse und innere Säure nahezu verbraucht, nimmt der Innenwiderstand schnell zu und die Klemmenspannung entsprechend ab. Entladeschlussspannung kein physikalischer Endwert, sollte aber im Interesse der Lebensdauer der Batterie nicht unterschritten werden.

51 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Maß für die zu entnehmende Strommenge ist die Batteriekapazität [Ah]. Diese wird neben Größe und Konstruktion vom Diffusionsverhalten der Säure bestimmt. Das Diffusionsverhalten wiederum ist abhängig von: 1. einem Stromstärkefaktor: Hohe Entladeströme  Ausgleich zwischen innerer und äußerer Säure kann nicht schnell genug erfolgen  hohes Konzentrationsgefälle.  Verringerung der verfügbaren Kapazität. 2. einem Temperaturfaktor: Sinkende Temperaturen führen zu vergrößerter Viskosität des Elektrolyten.  Diffusionsvorgänge verlangsamen sich.  Verringerung der verfügbaren Kapazität.  Verfügbare Kapazität einer Batterie abhängig von Entladestromstärke und Temperatur (und darüber hinaus von Alter und Ladezustand). KB = X(IE/K20) . X(𝜗) . K20 verfügbare Kapazität = Entladestromfaktor . Temperaturfaktor . Nennkapazität

52 Einfluss der Entladestromstärke und der Temperatur
Elektrophysikalische Vorgänge X () X (IE/K20) bei  = 27°C Dg051.doc Einfluss der Entladestromstärke und der Temperatur auf die verfügbare Kapazität einer Bleibatterie Vergleichbarkeit von Batterien nur unter Nennbedingungen: 𝜗 = 27°C, tE = 20 h (Entladezeit), UB ≥1,75 V pro Zelle  Nennkapazität: K20 = I0, h, wobei 𝜗 = 27°C und UB ≥1,75 V pro Zelle

53 Einfluss der Entladestromstärke und der Temperatur
Elektrophysikalische Vorgänge X () X (IE/K20) bei  = 27°C Dg051.doc Einfluss der Entladestromstärke und der Temperatur auf die verfügbare Kapazität einer Bleibatterie Beispiel Startvorgang im Winter: IE > I2, d.h. X(IE/K20) = 0,4 und 𝜗 = -20 °C, d.h. X(𝜗) = 0,3 KB = 0,4 . 0,3 . K20 also KB = 0,12 K20 (Und das auch nur bei neuer vollgeladener Batterie!)

54 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Bei großen Stromstärken fällt die Klemmenspannung der Batterie aufgrund des Spannungsabfalls am Innenwiderstand und der geringen Säuredichte in den Poren unter 1,75 V pro Zelle.  Entladeschlussspannungen für unterschiedliche Belastungen: UB ≥ 1,75 V/Zelle bei kleiner Belastung, d.h. X(IE/K20) < 0,5 h-1 bzw. IE < I0,5 UB ≥ 1,5 V/Zelle bei mittlerer Belastung, d.h. X(IE/K20) ≈ 1 h-1 bzw. IE ≈ I1,0 UB ≥ 1,0 V/Zelle bei großer Belastung, d.h. X(IE/K20) > 1,5 h-1 bzw. IE < I1,5 DIN EN  fordert eine bestimmte Startfähigkeit bei 𝜗 = -18 °C: Entladung der Batterie mit dem Kälteprüfstrom IKP (ist auf Batterien mit angegeben): UB ≥ 1,5 V/Zelle für tE ≤ 30 s und UB ≥ 1,0 V/Zelle für tE ≤ 150 s Batterien für Pkw Batterien für Nkw Kapazität [Ah] 200 Masse [kg] 60 Kälteprüfstrom (IKP) [A] 700 Innenw. (Ri) bei IKP [mΩ] 3

55 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

56 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Säurebildung vorwiegend in den Poren der Platten  ρinnen > ρaußen, d.h. Diffusionsvorgänge umgekehrt zur Entladung. Höhere Dichte der inneren Säure führt zu höherer Zellenspannung. Außerdem muss der Innenwiderstand der Platten und des Elektrolyten (im Vergleich zur Entladung in umgekehrter Richtung) überwunden werden.  Deutlich höhere Batterieklemmenspannung beim Landen als beim Entladen.

57 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Dg052.doc Bleiakkumulator - Ladekennlinien Verlagerung der elektrochemischen Vorgänge mit zunehmender Ladung in die Tiefe der Platten.  Diffusionswege und Konzentrationsgefälle nehmen weiter zu.  Zellenspannung steigt weiter an. Bei 2,4 V/Zelle tritt Wasserzersetzung ein, es entsteht Knallgas.  Wasserstoff setzt sich an Elektroden fest  Polarisationsspannung.  Weiteres schnelles Anwachsen der Batterieklemmenspannung.

58 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
Dg052.doc Bleiakkumulator - Ladekennlinien Nach Ladeschluss finden Ausgleichsvorgänge statt (Einschwingzeit).  Batterie sinkt über Stunden auf Ruhespannung ab. Elektronisch geregelter Drehstromgenerator  bisher konstante Ladespannung bei 2,35 V/Zelle.  Unter Bordnetzbedingungen praktisch keine Wasserzersetzung.  Gasdichte (wartungsfreie) Batterien möglich.

59 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

60 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge
η(Wh) < η(Ah) weil UBA > UBE Dg052.doc Bleiakkumulator – Amperestunden- und Wattstundenwirkungsgrad

61 3 Elektrochemische Wandler
Batterieaufbau 3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

62 Batterieaufbau (schematisch)
Separatoren Batterieaufbau (schematisch) Elektrophysikalische Vorgänge bedingen große Plattenoberfläche.  Viele dicht beieinanderliegende positive und negative Platten, die durch Separatoren (Gummi- bzw. Kunststoffscheider) getrennt sind. Batterien\bat10.cdr Mehrere pos. und negative Platten werden jeweils parallel geschaltet und bilden eine Zelle. Mehrere Zellen werden in Reihe geschaltet und bilden eine Batterie (6 Zellen  12 V Batterie).

63 Batterieaufbau (schematisch)
Separatoren Batterieaufbau (schematisch) Zur Herstellung der aktiven porösen Bleimasse werden Blei, verschiedene Bleioxide und Bleimennige gemahlen und mit Spreizstoffen angereichert. Dieses Pulver wird mit verdünnter Schwefelsäure zu einer Paste gemischt. Batterien\bat10.cdr  Geringe Eigenfestigkeit der aktiven Masse  Stützgitter aus Hartblei erforderlich. Aktivieren der aktiven Masse durch erstmaliges Laden (Formieren). Zyklenfeste Batterien: Separatoren aus Glaswollmatten stützen Plusmasse zusätzlich ab. Rüttelfeste Batterien: Fixieren der Plattenblöcke gegenüber Blockkasten durch Gießharz. HD (heavy duty) Batterien: Kombination rüttel- und zyklenfester Bauart.

64 Bleiakkumulator – konventioneller Aufbau
Batterieaufbau 2 1 2 3 1 5 4 nach Dg053.doc 5 1 Direkt-Zellenverbinder 2 Endpol 3 Plattenverbinder 4 Plussplatten (in Folienseparatoren eingetascht) 5 Kastengehäuse mit Deckel und Bodenleiste 4 Bleiakkumulator – konventioneller Aufbau

65 3 .2.3 Batterieaufbau Selbst dichtende Sicherheitsventile
mit Flammenschutz korrosionsfreie Pole nach Dg224.cdr Quelle: KFT dünne Bleiplatten in gewickelten Zellen Zellen- verbinder Kunststoff- separator Glaswoll- separator mit gebundenen Elektrolyten Quelle: KFT

66 3.2.4. Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

67 3.2.4. Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen
3 Elektrochemische Wandler 3.1 Grundlagen 3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen 3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie 3.2.1 Elektrochemische Vorgänge 3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge Entladevorgänge Ladevorgänge Wirkungsgrad 3.2.3 Batterieaufbau 3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

68 frühen serienreifen Entwicklungsstadium.
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren Lithium-Ionen-Akkumulatoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind derzeit noch in einem frühen serienreifen Entwicklungsstadium. Es gibt nicht den Li-Ionen-Akku, sondern nur einen Grundaufbau bzw. ein Prinzip mit vielen Varianten. Die Li-Ionen sind am Redoxvorgang nicht beteilig. Sie dienen nur zum inneren Ladungsausgleich bei einem äußeren Stromfluss. Li-Metalloxid- elektrode z.B. Li2MnO2 Li2CoO2 LiFePO4 LiNixMnyCozO2 Separator Graphit- elektrode Je mehr Li-Ionen in den Elektroden eingelagert werden können, um so größer ist die Energiedichte (Kapazität des Akkumulators). organisches Lösungsmittel Je leichter die Li-Ionen die Elektroden verlassen und sich im organische Lösungsmittel bewegen können, um so größer ist die Leistungsdichte

69 Gegenwärtige Kosten: 600 bis 800 €/kWh (mit Batteriemanagement
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren Gegenwärtige Kosten: 600 bis 800 €/kWh (mit Batteriemanagement ca €/kWh) Ziel 2020: 200 €/kWh (?) Pouch-Zelle der Li-Tec Battery GmbH Eigenschaften von Lithium-Ionen-Akkumulatoren Quelle: VDI-Nachrichten Nr und Zeitschrift Elektronik – A. Gillhuber sowie Li-Tec Battery GmbH

70 6.831 Einzel-Rundzellen (ca. 408 kg)
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren 6.831 Einzel-Rundzellen (ca. 408 kg) 11 x 9 Zellen in Serie  ca. 370 V und 69 x Serienschaltung parallel  ca. 56 kWh Elektromotor: 215 kW (288 PS) / 370 Nm Preis: 80 bis 120 T€ vmax 200 km/h (abgeregelt) Beschleunigung 0  100 km/h in 3,7 s Reichweite: 200 bis 500 km Tesla Roadster Quelle: Wikipedia

71 Rundzellen LiCoO2 o. vergl. ca. 500 – 800 Zyklen (100% DoD)
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren Zelltechnologien: Rundzellen LiCoO2 o. vergl. ca. 500 – 800 Zyklen (100% DoD) (Lithium-Cobalt-Oxid) PKW-Anwendungen: 60 kWh = 400 km x 500 Zyklen = km Prismatische Zellen LFP ca – Zyklen (80 – 90% DoD) (Lithium-Eisen-Phosphat) PKW-Anwendungen: 60 kWh = 400 km x Zyklen = km LKW-Anwendungen: 60 kWh = 60 km (18 t) x Zyklen = km Pouch- bzw. prism. Zellen NMC ca – Zyklen (80 – 90% DoD) (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) PKW-Anwendungen: 60 kWh = 400 km x Zyklen = km LKW-Anwendungen: 60 kWh = 60 km (18 t) x Zyklen = km DoD = depth of discharge (Entladungstiefe) Quelle: Framo GmbH

72 USA Start–up Envia Systems: Li2MnO3 - / Silikon-Kohlenstoff-Elektroden
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren USA Start–up Envia Systems: Li2MnO3 - / Silikon-Kohlenstoff-Elektroden Energiedichte zurzeit 234 Wh/kg angekündigt: Li2MnO3 - / reine Silikon-Elektroden Energiedichte bis 400 Wh/kg Preis unter 100 €/kWh (?) Entwicklungstrends Quelle: VDI Nachrichten und Envia Systems

73  Oberflächen vergrößern
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren Fa. Bosch incl. Fa. Seeo: - Nano-Technologien  Oberflächen vergrößern - Verzicht auf Graphit- Elektroden  höhere Reaktions- geschwindigkeit - Einsatz eines Festkörper- Elektrolyten  keine Brandgefahr Erwartungen: - doppelter Energiegehalt - geringerer Bauraum Entwicklungstrends Quelle: Wirtschaftwoche, Bosch

74 IBM Research: Lithium-Luft-Akkumulator
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren IBM Research: Lithium-Luft-Akkumulator theoretische Energiedichte über 11 kWh/kg erwartete praktische Energiedichte ca. 1 bis 3 kWh/kg Ziel: kommerzielle Nutzung ab 2025 (?) Preis: ? Entwicklungstrends Quelle: IBM Research


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