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Batterie, Batterietechnik Seminare und Tagungen

Das Haus der Technik bündelt auf dieser Seite seine Seminare zum Thema Batterie. Bereits seit vielen Jahren zählt das Haus der Technik mit seinem Seminarangebot im Bereich Batterietechnik zur ersten Adresse in Deutschland. Besonderen Wert wurde dabei immer auf eine hohen Praxisbezug gelegt. Für die weitere Elektrifizierung des KFZ sind Batterien und damit die Entscheidung mit welcher Spannung das zukünftige Bordnetz versorgt (12V oder 48V) wird, von entscheidender Bedeutung. Aber auch für die weitere Entwicklung der Elektrofahrzeuge ist die Verbesserung der Kapazität und die Reduzierung der Kosten ganz wesentlich. Egal ob sie Basiswissen zur Batterie suchen oder aber bereits sehr im Detail sich auskennen, bei uns finden sie stets das richtige Seminar.

Hier die Vorteile auf einen Blick:

  • seit mehr als 25 Jahren Erfahrung im Bereich Batterietechnik
  • erfahrene Referenten aus der Praxis
  • positives Feedback der anderen Seminarteilnehmer
  • speziale Angebote für Einsteiger und für Fortgeschrittene
  • Praxisseminare mit Besichtigung eines der führenden Batterieforschungszentren, dem ISEA in Aachen und dem Batterietestzentrum des TÜV Süd 
  • Kooperation mit den wichtigsten Partner aus der Batterieforschung in Deutschland
  • Ausrichter der größten Batterietagung in Deutschland, der Tagung Kraftwerk Batterie (www.battery-power.eu)
  • Spezialangebote wie Impedanzspektroskopie an Batterien, Simulation in der Batterietechnik, Lithium Schwefel Batterie u. a.

 

Unser Veranstaltungsangebot:

Browser URL 100x70 Batterien Basiswissen
Basiswissen Batterien - Battery Basics
28.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 Elektrochemische Energiespeicher
Berechnung und Auslegung elektrochemischer Energiespeicher
28.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 Simulation Batterietechnik
Modellierung und Simulation in der Batterietechnik Vorseminar zur Kraftwerk Batterie
28.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 Batterietag NRW
Batterietag NRW 2017
28.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 Impedanzspektroskopie an Batterien
Impedanzspektroskopie an Batterien EIS - Impedance Spectroscopy (EIS) on Batteries
28.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 Lithium Schwefel Batterie
Lithium Schwefel Batterien als Energiespeicher mit hoher Energiedichte
28.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 Advanced Battery Power
Advanced Battery Power – Automotive and Energy Supply Solutions Call for Papers
29.03.2017 - 30.03.2017 in Aachen
Browser URL 100x70 eehe - Electric Electronic Systems Hybrid Energy Management
Electric & Electronic Systems in Hybrid and Electric Vehicles and Electrical Energy Management
17.05.2017 - 18.05.2017 in Bamberg
Browser URL 100x70 Laden von Elektrofahrzeugen
Laden von Elektrofahrzeugen
13.06.2017 in Essen
Browser URL 100x70 Energiespeicher
Energiespeicher
13.06.2017 - 14.06.2017 in Essen

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden auch Einzelzellen als Batterie bezeichnet. Physikalisch werden Batterietypen in Primärelemente und Sekundärelemente unterschieden. Primärelemente nutzen die Erscheinung der Redoxreaktion und sind nach Ablauf der inneren chemischen Reaktion, bei der die elektrische Energie freigesetzt wird, prinzipiell nicht wiederaufladbar. Eine wiederaufladbare Batterie ist ein "Sekundärelement" und wird üblicherweise als Akku (von Akkumulator) bezeichnet. Industriell sehr wichtig sind die Bleiakkumulatoren, die in Autos verwendet werden. Die Einsatzfelder von Batterien wachsen ständig. Die steigenden Anforderungen von Computern und Maschinen an die Qualität der Stromversorgung, die potentiell riesigen Kosten beim Ausfall von Stromversorgungen und die Markteinführung von Hybridfahrzeugen mit elektrischem Zusatzantrieb lassen ein weiteres überdurchschnittliches Wachstum erwarten. Außerdem steigt die Zahl batteriegestützter autonomer Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energiequellen weiter an. Die durch frühzeitigen oder unerwarteten Ausfall von Batterien verursachten Folgekosten und Kosten der Ersatzbeschaffung sind hoch. Bleibatterien sind in industriellen Anwendungen mengen- und umsatzmäßig führend.

Wiederaufladbare Lithium-Batterien setzen sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie und der auch hohen spezifischen Leistungen im Bereich mobiler Anwendungen immer mehr durch. Durch die Verwendung verschiedener Materialien können die Eigenschaften in einem weiten Bereich verändert werden. Hierdurch werden Lithium-Batterien immer weiter optimiert und es ist davon auszugehen, dass sie in den nächsten zwei Jahren auch zunehmend im Automobil zum Einsatz kommen. 

 

 

Wirkungsgrad

Im Allgemeinen wird der Wirkungsgrad einer Energieumwandlung bzw. –speicherung immer als Quotient von verfügbarer und gespeicherter Energie angegeben. Bei Batterien unterscheidet man den coulombschen (η_(Ah)), den voltaischen (η_U) und den energetischen Wirkungsgrad. (η_(Wh)) (1)
Der coulombsche Wirkungsgrad (η_(Ah)) oder auch Ah-Wirkungsgrad genannt, entspricht dem Quotienten aus entnehmbarer Energie und geladener Energie, wenn diese in Amperestunden angegeben sind.

 


Treten zusätzliche Nebenreaktionen wie interne Kurzschlüsse (auch Mikrokurzschlüsse genannt) oder eine Zunahme der Gasungsreaktionen, die ein Abfließen des Stroms verursachen, auf, so sinkt der coulombsche Wirkungsgrad. Er berücksichtigt jedoch keine Spannungsverluste, welche beispielsweise durch den ohmschen Innenwiderstand oder die Durchtrittsspannung verursacht werden. (2)


Der energetische Wirkungsgrad (η_(Wh)) hingegen bezieht sich auf den Quotienten von entnehmbarer und geladener Energie, falls diese Größen in Wattstunden angegeben sind.

 


Je kleiner der Wirkungsgrad wird, desto ineffizienter arbeitet die Batterie und desto mehr Wärme wird emittiert. Dies hat zur Folge, dass eine aufwändigere Kühlung gewährleistet werden muss und die spezifischen Kosten der Batterie ansteigen. (1) Da die Batterie-Charakteristiken nicht linear ablaufen sind die beiden Wirkungsgrade nicht identisch. (3)
Der reziproke Wert des coulombschen Wirkungsgrads wird als Stromladefaktor (L) bezeichnet (1).

 


Der Ladefaktor ist ein dimensionsloser Wert, welcher den Wirkungsgrad beim Laden einer Batterie darstellt. (4)
Die Differenz zwischen den Spannungen, die beim Aufladen und Entladen anliegen, bestimmt den voltaischen Wirkungsgrad.

 


Der voltaische Wirkungsgrad, oder auch Spannungswirkungsgrad genannt, berücksichtigt ausschließlich die auftretenden Spannungsverluste in der Batterie. (2) An der Veränderung des Wirkungsgrades kann abgelesen werden, wie sich die Leistungsfähigkeit der Batterie über die Zeit verändert. (1)

Abhängigkeit des Wirkungsgrades

Im Allgemeinen kann man sagen, dass der Wirkungsgrad immer abhängig von der Spannungslage, dem verwendeten Ladeverfahren sowie dem Entladestrom ist. Durch beispielsweise höhere Stromstärken, tiefere Temperaturen oder zunehmendem Alter der Batterie werden größere Ohmsche Verluste in der Batterie bewirkt. Aus diesem Grund werden bei der Entladung niedrigere und bei der Aufladung höhere Spannungswerte erzielt, welche zu einer Abnahme des Wirkungsgrads führe. (1) (2)

Literaturverzeichnis


1. Aachen, ISEA RWTH.
2. Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz. Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Neusäß : Ubooks Verlag, 2006.
3. Halaczek, Thaddäus L. und Radecke, Hans Dieter. Batterien und Ladekonzepte. Poing : Franzis' Verlag GmbH, 1998.
4. ITWissen - Das große Online-Lexikon für Informationstechnologie. http://www.itwissen.info/. [Online] [Zitat vom: 5. August 2011.] http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Ladefaktor-LF-charge-factor.html.

 

 

 

 

 

Theoretische und praktische Energiedichte

Die Energiedichte ist ein Maß für die in einer Batterie oder Zelle gespeicherten Energiemenge. Sie ist ein bedeutsames und zentrales Bewertungskriterium für elektrochemische Energiespeicher, insbesondere für den mobilen Einsatz wie bei Elektrofahrzeugen oder Laptopakkumulatoren, da sie Gewicht und Volumen der einzusetzenden Batterie wesentlich beeinflusst. Es wird die volumetrische und die gravimetrische Energiedichte unterschieden. (1) (2)
Die volumetrische Energiedichte bezieht sich auf die speicherbare Energiemenge pro Volumeneinheit, d.h. die speicherbaren Wattstunden pro Liter oder Kubikzentimeter. Im Bereich der Elektromobilität ist diese ein wichtiger Parameter für die Autonomie des Fahrzeuges. (1)
Die gravimetrische Energiedichte hingegen beschreibt die speicherbare Energiemenge in Bezug auf die Masse der Batterie. Diese ist vor allem dann von Bedeutung, wenn lange kontinuierliche Entladevorgänge gefordert sind, wie dies bei der elektrischen Reichweite von Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen der Fall ist. (1) (2)

 

 

Theoretische Energiedichte


Es existiert ein theoretischer maximaler Grenzwert für die Energiedichte, der durch die Potentialdifferenz und die maximal in einem Molekül bzw. Atom speicherbare Ladungsmenge bestimmt wird. Jedes Molekül bzw. Atom kann nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen, also Elementarladungen, aufnehmen. Die theoretische Obergrenze der Energiedichte definiert sich demnach aus dem Produkt von der Lademenge, bestimmt durch das Produkt von Anzahl n an Elementarladungen und der Elementarladung selbst, pro Molekül und der Spannung. Das Ergebnis wird dann in Verhältnis zu dem Gewicht des entsprechenden Moleküls gesetzt. Dieses Verhältnis ergibt genau die spezifische gravimetrische Energiedichte. (3)

Praktische Energiedichte

In der Praxis kann jedoch dieser theoretische Maximalwert nicht erreicht werden, sondern die tatsächliche praktische Energiedichte ist deutlich geringer. Begründet werden kann dies dadurch, dass zu dem eigentlichen Gewicht des Materials zusätzlich das Gewicht bzw. Volumen der passiven Materialien, wie Stromsammler, Elektrolyt, Separator, Gehäuse usw. aufaddiert werden muss. Diese passiven Materialien tragen zwar zum Gewicht bzw. Volumen der Batterie bei, jedoch nicht zur eigentlichen Energiespeicherung. Außerdem wird in der Regel nur ca. 50% der gesamten Aktivmasse für die eigentliche Energiespeicherung verwendet. Der restliche Anteil wird als Matrix benötigt. Eine Faustformel zur Bestimmung der praktischen Energiedichte besagt, dass diese im Durchschnitt ungefähr ein Drittel der theoretischen Energiedichte entspricht. Dies ist jedoch kein konstanter Wert, sondern ist stark anhängig von den jeweils verwendeten Materialen. So kann bei einer Lithium-Ionen Batterie von einer praktischen Energiedichte bis zu 50% der theoretischen Energiedichte ausgegangen werden, bei einer Bleibatterie jedoch nur von ca. 25%. (3)

Literaturverzeichnis


1. Batterien, Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem. Die Welt der Batterien - Funktion, System, Entsorgung. Hamburg: GRS, 2007.
2. Hofmann, Peter. Hybridfahrzeuge. Wien: Springer Verlag, 2010.
3. Aachen, ISEA RWTH.

 

 

Entladung und Entladungsregime

Während der Entladung fließen Elektronen von der Anode über den Verbraucher zu der Kathode der Batterie. Auf Grund der Oxidation des Anodenmaterials werden permanent Elektronen nachgeliefert. An der Kathode werden die ankommenden Elektronen von den positiven Ionen der Elektrolytlösung angezogen und reduzieren diese dann. Der Stromfluss in der Batterie wird auf Grund des Ionenaustauschs über den Elektrolyten ermöglicht. (1)
Bei der Entladung werden drei verschiedene Entladeregime unterschieden, die Konstantstrom-, die Konstantwiderstand- und die Konstantleistungsentladung.



Die Konstantstromentladung bedingt, wie der Name schon sagt, eine Entladung mit gleich bleibender Stromstärke. Die Spannung nimmt dabei mit fortschreitender Entladung ab. Auf Grund der Gesetzmäßigkeit der Leistungsdefinition P=U*I verringert sich daher auch die Leistung. (2)
Bei der Konstantwiderstandentladung bleibt der Widerstand während der gesamten Entladung unveränderlich, wie es bei herkömmlichen ohmschen Verbrauchern, z.B. der Glühbirne in einer Taschenlampe, der Fall ist. Mit zunehmender Entladedauer sinkt dabei nicht nur die Spannung, sondern ebenfalls der Strom ab. Dies bewirkt eine Reduzierung der Leistung in doppelter Weise. (2)
Befindet sich eine nachgeschaltete Elektronik hinter der Batterie, so wird die Batterie mit konstanter Leistung entladen. Die zu entnehmende Leistung wird dann von dem jeweiligen Verbraucher vorgegeben. Dies hat zur Folge, dass mit fortschreitender Entladung auf Grund der abnehmenden Spannung der Stromfluss erhöht werden muss. Jedoch bedingt diese Stromzunahme auch eine Verstärkung des ohmschen Spannungsabfall, der Reaktionswiderstände usw. was den Spannungsabfall zusätzlich intensiviert. (2)
Literaturverzeichnis
1. Hofmann, Peter. Hybridfahrzeuge. Wien: Springer-Verlag, 2010.
2. Aachen, ISEA RWTH.

 

 

Ruhespannung

Die Ruhespannung beschreibt die Spannung einer Batterie, welche an den Batterieklemmen gemessen werden kann, wenn gerade kein Strom anliegt und alle inneren Ausgleichsvorgänge beendet sind. (1) (2) Im vollgeladenen Zustand ist diese Spannung am größten. Beginnt nun die Entladung und ein Strom wird angelegt, so resultiert ein direktes sprunghaftes Absinken der Spannung auf Grund der Spannungsverluste, die durch die ohmschen Anteile einer Batterie verursacht werden. Wird der Strom nach der Entladung wieder abgeschaltet, so vergrößert sich die Spannung wieder sprunghaft und die Ruhespannung im entladenen Zustand ist erreicht.

 



Allgemein kann demnach definiert werden, dass die Ruhespannung eine gewisse Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie aufweist. Je weiter die Entladung der Batterie fortschreitet, desto mehr sinkt die Ruhespannung U=f(DOD) der Batterie ab. Da die in der Batterie speicherbaren Energiemenge von der Spannung der Batterie bestimmt wird, definiert die Ruhespannung also genau die maximal entnehmbare Energiemenge. Jedoch wird in der Realität auf Grund der bereits erwähnten ohmschen Spannungsverluste nur ein geringerer Wert erzielt. (3)

Literaturverzeichnis


1. Technik-ABC Carthago. www.carthago.com. [Online] Carthago. [Zitat vom: 4. August 2011.] http://www.carthago.com/de/meta/service/technik-abc/batterie.html.
2. Hofmann, Peter. Hybridfahrzeuge. Wien: Springer-Verlag, 2010.
3. Aachen, ISEA RWTH.

 

 

 

Kapazität einer Batterie

Die Kapazität definiert die entnehmbare Strommenge einer Batterie in Amperestunden, welche durch den Quotienten aus der konstanten Entladestromstärke I [A] und der Entladezeit t [h] mit K=I*t [Ah] bestimmt wird. (1) Sie ist also ein Indikator für die in einer Batterie gespeicherte Lademenge. (2) Die Entladezeit ergibt sich aus der Zeitspanne zwischen Entladebeginn und dem Erreichen der Entladegrenze. Die Entladegrenze wird durch eine definierte Entladeschlussspannung festgelegt. Ist diese erreicht, wird der Batterie keine Kapazität mehr entnommen. (3)
Im Allgemeinen steigt die Kapazität mit zunehmender Temperatur an, da die Diffusion der Ladungsträger schneller abläuft und auf Grund der erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit geringere Überspannungen erreicht werden. Steigt jedoch der Entladestrom an, so resultiert eine Abnahme der Kapazität. Begründet werden kann dieses mit einer erhöhten notwendigen Überspannung, um die Reaktionsrate aufrecht zu erhalten. Des Weiteren nehmen die Diffusionsprobleme der Ladungsträger zu, da der Elektrolyt in den Poren verarmt. (3)
Der Ladezustand einer Batterie wird in Bezug auf den Parameter Kapazität angegeben. Dabei wird die Bezugsgröße Kapazität in Nenn- und die Betriebskapazität unterschieden. (3)

 


Mit der Nennkapazität wird die Batterie vom Hersteller ausgezeichnet. (3) Diese ergibt sich bei der Entladung unter bestimmten Normbedingungen, nachdem die Batterie bei 20°C ± 0,5 vorschriftsmäßig vollgeladen wurde. Die genauen Ent- und Beladebedingungen sind in verschiedenen Normen definiert und müssen für die Bestimmung der Nennkapazität streng eingehalten werden. (1) Oftmals wird die Nennkapazität direkt mit definierten Entladebedingungen angegeben wie beispielsweise mit der ZeitdauerK_5=100Ah, welches eine Entladung von 5 Stunden mit 20 Ampere beschreibt. (2) Die Nennkapazität bleibt während der Lebensdauer einer Batterie nicht konstant, sondern nimmt auf Grund von Alterung und anderen Einflüssen ab. Wird der Ladezustand demnach in Bezug auf die Nennkapazität angegeben, so ist es möglich, dass mit zunehmendem Alter einer Batterie auf Grund der sinkenden Nennkapazität ein Ladezustand von „null Prozent“ nicht mehr erreicht werden kann. (3)
Die Betriebskapazität ist gerade die Kapazität, welche dem Benutzer tatsächlich zur Verfügung steht. Diese entspricht nicht immer der Nennkapazität, da sich die Kapazität einer Batterie im Laufe der Zeit beispielsweise auf Grund von Alterung ändert. (3) Verschiedene Parameter, wie die Entladestromstärke, die zulässige Entladespannung, die Batterietemperatur, der Ladeprozess und die „Vorgeschichte“ der Batterie, beeinflussen diese Größe. (1) Wird der Ladezustand in Bezug auf die Betriebskapazität angegeben, so bezieht dieser sich auf die tatsächlich verfügbare aktuelle Kapazität der Batterie. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Skala der Kapazität verändert wird und sich somit auch die tatsächlich entnehmbare Energie bei einer bestimmten prozentualen Änderung des Ladezustands mit der Zeit verringert. Verfügt die Batterie zum Beispiel über eine Kapazität von 100 Ah und wird über einen Zeitraum von zehn Stunden entladen, so werden pro zehn Prozent Ladungsänderung der Batterie zehn Ampere entnommen. Sinkt die Betriebskapazität der Batterie nun auf beispielsweise80 Ah, resultiert daraus eine Verzerrung der Skala. D.h. bei einer Ladungsänderung von zehn Prozent können nun nur noch acht Ampere der Batterie entnommen werden. (3)

Literaturverzeichnis


1. Halaczek, Thaddäus L. und Radecke, Hans Dieter. Batterien und Ladekonzepte. Poing: Franzis' Verlag GmbH, 1998.
2. Hofmann, Peter. Hybridfahrzeuge. Wien: Springer-Verlag, 2010.
3. Aachen, ISEA RWTH.
4. TU-Clausthal. www.iee.tu-clausthal.de. [Online] [Zitat vom: 5. August 2011.] http://www.iee.tu-clausthal.de/fileadmin/downloads/Ladezustandsbestimmung_090119.ppt.

 

 

Batterieklemmspannung

Die Batterieklemmspannung setzt sich aus der Gleichgewichts-, Widerstands-, Reaktions- und Diffusionsspannung zusammen:


UBatterie = UGleichgewicht + UWiderstand + UReaktion + UDiffusion

 

Die Gleichgewichtsspannung (UGleichgewicht) ergibt sich aus der Potentialdifferenz der Aktivmassen und wird oft auch als Leerlaufspannung bezeichnet. (1) Sie stellt eine Funktion der Elektrolytkonzentration und der Temperatur dar und hängt stark vom Ladezustand der Batterie ab. (2) Diese Spannung ist, abgesehen von Nebenreaktionen, der Ruhespannung gleichzusetzen. Die Unterschiede sind in der Regel aber vernachlässigbar gering. (3)
Der zweite Anteil der Batterieklemmspannung, die Widerstandsspannung (UWiderstand), wird durch die ohmschen Verluste in Polen, Stromsammlern, Gittern und Elektrolyt erzeugt. (2) Diese sollte so klein wie möglich gehalten werden, welches durch konstruktive und technologische Maßnahmen erzielt werden kann. Solche Maßnahmen können zum Beispiel eine Verkleinerung des Abstandes der Elektroden zur Erhöhung der Elektrodenleitfähigkeit oder eine Verbesserung des Kontaktes zwischen Elektrode und Außenleitung zur Reduzierung von UWiderstand sein. (1)
Der auf Grund von elektrochemischen und chemischen Reaktionen verursachte Spannungsabfall wird als Reaktionsspannung (UReaktion) bezeichnet. (2)
Die Diffusionsspannung (UDiffusion) wird gerade durch den Spannungsabfall durch Defizite oder den Überschuss von Reaktanten an den Reaktionsorten bewirkt. Sie definiert somit das Ungleichgewicht der Konzentrationsgradienten. (2)
Die Summe der Anteile von UWiderstand, UReaktion und UDiffusion wird als Überspannung der Batterie bezeichnet. Die Werte der Summe sind beim Ladevorgang positiv und während des Entladevorgangs negativ. (2)

 

 

Literaturverzeichnis


1. Halaczek, Thaddäus L. und Radecke, Hans Dieter. Batterien und Ladekonzepte. Poing: Franzis' Verlag GmbH, 1998.
2. Aachen, ISEA RWTH.
3. Hofmann, Peter. Hybridfahrzeuge. Wien: Springer Verlag, 2010.

 

Aufbau Batteriezelle

Einleitung

Batterien sind elektrochemische Energiewandler bzw. Energiespeicher, dessen Funktionsweise auf die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt basiert. (1)
Die erste elektrische Batterie wurde im Jahr 1800 von dem italienischen Physiker Alessandro Volta aufbauend auf Forschungen von Luigi Galvani entwickelt. Volta baute einen elektrischen Stromkreis aus Kupfer- und Zinksäulen, welche durch ein mit Salzwasser getränktes Tuch getrennt waren. Der Begriff Batterie wurde erst später von Benjamin Franklin eingeführt. (2)
Im Wesentlichen sind alle Batterien gleich aufgebaut. Sie bestehen immer aus zwei Elektroden, die als Energiekonverter bzw. –speicher fungieren, einem Elektrolyt in welchem sich die Elektroden befinden, einem Separator, der das Berühren der beiden Elektroden verhindert und einem Gehäuse, welches die gesamte Anordnung umschließt.

 

Elektroden

In einer Batterie existieren ein Minuspol, die so genannte Anode, und ein Pluspol, die sogenannte Kathode. (3) Im Kern dieser beiden Elektroden befindet sich ein Stromableiter bzw. Stromsammler. Die Stromableiter sind dabei wichtige passive Systemelemente der Batterie, d.h. sie tragen keinen aktiven Beitrag zur Speicherung des Stroms in der Batterie bei, werden jedoch für den Aufbau benötigt. Wichtige Eigenschaften der Stromleiter sind vor allem chemische Stabilität und ein geringer Innenwiderstand, so dass ein verlustfreies leiten des Stroms gewährleistet werden kann. Die eigentliche Elektrode umgibt den jeweiligen Stromleiter. (4) Dieses Material wird als Aktivmasse bezeichnet in der die eigentlichen elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die beiden Elektroden in einer Batterie bestehen immer aus verschiedenen Materialien welche ungleiche Potentiale aufweisen. Nur so kann eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden resultieren, welche die Spannung an den Batteriepolen verursacht. (5)
Vereinfacht kann man sich den Beladeprozess einer Batterie so vorstellen, dass ein Strom an die Batterie angelegt wird und über den Stromleiter die Elektronen in die Aktivmasse fließen. (3) Dort findet nun eine elektrochemische Reaktion statt, bei welcher elektrische Energie gespeichert wird. Da die Ladungsträger auf Grund des „Erhaltungsgesetzes der Ladungsträger“ nicht akkumuliert werden können, müssen auf Grund der Zuführung von Elektronen, Ladungsträger an anderer Stelle wieder ausfließen. Die elektrochemische Reaktion in der Aktivmasse führt zu einer Umladung des Ladungsträgers Elektron auf ein Atom bzw. Molekül. Dieses kann sich dann aus der Elektrode lösen und durch den Elektrolyt zu der anderen Elektrode hindurch diffundieren. Somit ist ein vollständiger Stromkreis gegeben. (4)

Elektrolyt

Die Elektroden befinden sich, wie schon erwähnt, in einem Elektrolyten, dessen wesentliche Aufgabe der Transport von Ionen von der einen auf die andere Elektrode ist. (4) Der Elektrolyt ist meistens ein flüssiges Medium, kann jedoch auch fest oder geliert sein. (6) Er bestimmt wesentlich die elektrischen Eigenschaften der Batterie. Der Widerstand des Elektrolyten steigt mit sinkender Temperatur erheblich an, welches zum Beispiel bei Startproblem des Automotors im Winter beobachtet werden kann. Auf Grund der Erhöhung des Widerstands kann kein Ionenaustausch mehr zwischen den Elektroden stattfinden und der Stromkreis ist so nicht geschlossen. (4)

Separator

Das Systemelement Separator verhindert den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden, denn würden diese sich berühren, hätte das einen Kurzschluss zur Folge und die Batterie würde sich schlagartig selbst entladen. Außerdem würde so gleiches Potential auf beiden Elektroden hergestellt werden, welches die Batterie unbrauchbar machen würde. (4)

 

Literaturverzeichnis


1. Batterien, Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem. Die Welt der Batterien - Funktion, System, Entsorgung. Hamburg: Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien, 2002.
2. Duracell. Batterien Verstehen. www.duracell.de. [Online] PROCTER & GAMBLE, 2010. [Zitat vom: 16. Juli 2011.] http://www.duracell.de/de-DE/wissenswertes/batterien-verstehen.jspx.
3. Schmidt, Vollkmar M. Elektrochemische Verfahrenstechnik. Freiburg: Kühn & Weyh, 2003.
4. Aachen, ISEA RWTH.
5. Schwöbel, Johannes. http://www.chemieplanet.de/. Elektrochemie . [Online] [Zitat vom: 14. Juli 2011.] http://www.chemieplanet.de/reaktionen/echemie.htm.
6. Hofmann, Peter. Hybridfahrzeuge. Weien: Springer Verlag, 2010.

 

 

Helmholtzschicht

In einer Batterie entsteht nach Anlegen der Spannung ein elektrostatisches Feld zwischen den beiden Elektroden. Dieses bewirkt, dass die Anionen zur Arbeitselektrode und die Kationen in die entgegengesetzte Richtung wandern bis das äußere Feld kompensiert ist. (1) An der negativen Elektrodenoberfläche entsteht daher eine Akkumulation der positiv geladenen Ionen. Somit entsteht an der Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Elektrode eine elektrische Doppelschicht aus zwei parallelen Ladungsschichten, der elektronischen Ladung in der Elektrode und der ionischen Ladung im Elektrolyt. (2) Diese elektrische Doppelschicht ist unter der Bezeichnung Helmholtzschicht bekannt.

 

 

Im Prinzip ist die Helmholtzschicht wie ein Kondensator aufgebaut, bei dem die eine Platte durch die elektronische Ladungsschicht und die andere durch die ionische Ladungsschicht dargestellt wird. Das sich dabei ausbildende elektrische Feld kann als konstant angenommen werden, da der Potentialverlauf zwischen den Platten linear ist. Die Schicht ist relativ fest gebunden und wird daher auch als „starre Doppelschicht“ bezeichnet. Außerdem existiert eine enorme elektrische Feldstärke innerhalb der Schicht, weswegen sich diese wie ein Plattenkondensator mit sehr hoher Kapazität verhält. (1) (2)
Der Elektrolyt und die Elektrode verfügen über unterschiedliche Potentiale. Die Änderung dieser Potentiale entspricht der Spannung des Kondensators und somit der Ruhespannung der Batterie. (3)

Literaturverzeichnis


1. Danckwerts, Matthias. Elektrochemische in-situ SHG-Untersuchungen zur Struktur kristalliner Elektrodenoberflächen unter Absorptions- und Reaktionsbedingungen. Berlin: Freie Universität Berlin, 2002.
2. Pohlmann, Ludwig. Elektrochemische Doppelschicht. Berlin: FU Berlin, 2005.
3. Aachen, ISEA RWTH.

 

 

Gasung in der Batterie

Die Gasung ist eine in der Batterie ablaufende Nebenreaktion, welche stattfindet sobald ein flüssiger wässriger Elektrolyt vorliegt. Dies ist beispielsweise bei Blei-, NiCd- und NiMH-Akkumulatoren der Fall, gilt jedoch nicht für Lithium-Ionen Batterien. Sobald ein wässriger Elektrolyt in der Batterie vorhanden ist, wird das in der Batterie befindliche Wasser auf Grund gewisser Reaktionen zersetzt. An der negativen Elektrode nehmen die Protonen aus dem Elektrolyten Elektronen auf, welche dann Wasserstoffgas bilden. An der positiven Elektrode hingegen wird das Wasser zersetzt, woraus sich dann Sauerstoffgas bildet und Protonen freigesetzt werden. Diese Protonen diffundieren dann durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. Insgesamt wird in der Batterie also das Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Die ablaufenden Reaktionen sind in den folgenden Reaktionsgleichungen noch einmal dargestellt:

Die Reaktionen an der negativen und positiven Elektrode beginnen bereits ab einer Spannung von 1,23 V. Da diese Bedingungen in herkömmlichen Batterien schnell erreicht sind, müssen die Gasungsreaktionen durch die Wahl geeigneter Materialien reduziert werden. Die Probleme, welche die Gasung verursacht, sind sowohl der Energie- und Wasserverlust, als auch das Austreten des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches. Dieses Gemisch stellt ein explosives Gasgemisch dar, welches bei bestimmten Konzentrationen in der Luft zündfähig ist. (1)

 

Geschlossene Batterie

Aus diesen Gründen wurden in der Vergangenheit neben den geschlossenen Batterien auch verschlossene Batterien entwickelt. Die geschlossenen Batterien beinhalten einen flüssigen Elektrolyten und können als „offenes“ System angesehen werden. Dies bedeutet, dass in der Batterie gebildetes Gas diese verlassen kann und in die Umgebung austritt. Daher werden hohe Anforderungen an die Belüftung der Batterieräume gestellt, um eine Bildung von zu hohen Gaskonzentrationen zu vermeiden. Das Wasser in der Batterie wird manuell von Zeit zu Zeit nachgefüllt. Dieser Prozess verursacht zusätzliche Kosten für den Batteriebetrieb. Außerdem müssen für den Transport- und die Lagerung bestimmte Vorschriften und Anforderungen erfüllt werden. (2) (1)

Verschlossene Batterie

Die verschlossenen Batterien haben, wie der Name schon sagt, keine Öffnung durch die Gas in die Umgebung entweichen kann. Sie verfügen jedoch über ein Überdruckventil, welches sich bei einem Druck von ca. 100 mbar öffnet und danach wieder selbstständig schließt. (2) Des Weiteren beinhalten sie im Gegensatz zur geschlossenen Batterie keinen flüssigen Elektrolyten, sondern ein Gel oder Vlies. (1) Der an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff kann über Gaskanäle, gebildet durch Mikroporen, zur negativen Elektrode wandern und wird dort wieder zu Wasser reduziert. Dieser Prozess wird auch als „Sauerstoffkreislauf“ bezeichnet und ist im Bild unten dargestellt. (2)

In der Batterie wird somit also kein Gas gebildet, welches diese verlässt. Jedoch findet wie bei den geschlossenen Batterien ein gewisser Anteil an Energieverlusten statt, die durch die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht werden. (1)

 

Literaturverzeichnis


1. Aachen, ISEA RWTH.
2. Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz. Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Neusäß: Ubooks Verlag, 2006.

 

 

Thermodynamisches Gleichgewicht

Die Thermodynamik beschreibt Systeme im Gleichgewichtszustand. Bei elektrochemischen Systemen ist dies genau dann gegeben, wenn kein Stromfluss vorhanden ist, also wenn die Batterie nicht entladen noch geladen wird. Hier wird somit der Ruhezustand einer Batterie oder Zelle betrachtet, wenn die Selbstentladung der Batterie außer Acht gelassen wird. In diesem Zustand liegt an der Batterie eine gewisse Ruhespannung, auch Gleichgewichtsspannung und Leerlaufspannung genannt (engl.: Open Circuit Voltage OCV), an, welche sich aus den Grundgleichungen der Thermodynamik berechnen lässt. (1) (2)

Die Energie eines Systems in der Thermodynamik wird als Enthalpie H bezeichnet. Diese entspricht in elektrochemischen Systemen der in den chemischen Verbindungen gespeicherten Energie. Die freie Enthalpie G, oft auch als „Gibb’sche freie Energie“ bezeichnet, beschreibt genau die Energiemenge, welche maximal in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Wird nun eine Reaktion betrachtet, so sind gerade die Differenzen dieser beiden Größen von Bedeutung. Die Änderung der Enthalpie, als Reaktionsenthalpie ∆H bezeichnet, beschreibt die während der Reaktion abgegebene bzw. aufgenommene Energie. Sie ist bestimmbar aus den Eigenschaften der Reaktionsteilnehmer.

Die maximal umsetzbare elektrische Energie während der Reaktion wird durch die Änderung der freien Enthalpie, der freien Reaktionsenthalpie ∆G, definiert. Diese ist eine bedeutende Größe bei der Bestimmung der spezifischen Energie einer Batterie, da die freie Reaktionsenthalpie in einem direktem Zusammenhang mit der Ruhespannung steht.

Die letzte bedeutende thermodynamische Größe ist die Entropie ∆S, welche der Abweichung von Reaktionsenthalpie ∆H und freien Reaktionsenthalpie ∆G entspricht. Diese unterscheiden sich, da sich in einer realen Batterie auf Grund der aufgenommenen oder freigesetzten Wärme die elektrisch nutzbare Energie und die insgesamt umgesetzte Energie unterscheiden. Die Energiedifferenz ist dabei proportional zur Temperatur. Aus diesem Grund wird oft das Produkt von Temperatur und Reaktionsenthalpie ∆S∙T verwendet, welches genau der an die Umgebung abgegebenen oder aufgenommenen Wärme entspricht. Der Effekt der Wärmeabgabe bzw. –aufnahme ist vollständig umkehrbar und wird daher als „reversibler Wärmeeffekt“ bezeichnet. (2) (1)

Der Hauptsatz der Thermodynamik wird genau durch diese drei Größen, also die Reaktionsenthalpie ∆H, die freie Reaktionsenthalpie ∆G und die Reaktionsenthalpie ∆S gebildet:

∆G=∆H-T∙∆S

Sind die Reaktionsenthalpie und die freie Reaktionsenthalpie bekannt, so kann darüber Rückschluss auf andere relevante Kenndaten des System, wie die theoretisch spezifische Energie, die theoretische Gleichgewichts- bzw. Ruhespannung, die Abhängigkeit der Gleichgewichtsspannung von der Temperatur oder den reversiblen Wärmeeffekt, gezogen werden.

Die Berechnung der theoretischen Ruhespannung ist über den Zusammenhang mit der Gibb’schen freien Reaktionsenthalpie und der Ladungsmenge möglich. Das Produkt aus Ladungsmenge und Gleichgewichtsspannung entspricht dabei genau der negativen freien Reaktionsenthalpie. Die Ladungsmenge ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl an Elementarladungen n und der faradayschen Konstante F. Dieser Zusammenhang wird auch als „Faradaysches Gesetz“ bezeichnet.

∆G=-U_0∙Q=-U_0∙n∙F

daraus folgt für die Ruhespannung U_0=-∆G/(n∙F)

Da in diesem Fall die Entladung betrachtet wird und das System somit Energie abgibt, muss das Vorzeichen der Reaktionsenthalpie negativ sein. (2) (3)

Die hier berechnete Ruhespannung ist jedoch keine konstante Größe, sondern abhängig von verschiedenen Parametern wie der Temperatur oder der Konzentration der Reaktanten. Die Ruhespannung ist zwar nicht direkt proportional zu der Konzentration der Reaktanten, wird jedoch über den Zusammenhang mit der Reaktionsenthalpie und der freien Reaktionsenthalpie beeinflusst. Diese Abhängigkeit kann jedoch von Batteriesystem zu Batteriesystem sehr unterschiedlich sein, im Allgemeinen nimmt die Gleichgewichtsspannung aber mit fallendem Ladezustand ab. (3) (1)

Die Abhängigkeit von der Temperatur kann mit Hilfe eines Temperaturkoeffizienten beschrieben werden. Dieser wird mit folgender Formel bestimmt: α_(U_0 )=(dU_0)/dT=∆S/(n∙F). (1)

Ebenfalls die spezifische Energie E_(Th) kann über einen thermodynamischen Zusammenhang, nämlich dem Quotienten aus freier Reaktionsenthalpie und der Molmasse M des umgesetzten Stoffes, berechnet werden: E_(Th)=-∆G/M. (1)

Die hier vorgestellten Definitionen für die spezifische Energie und die Ruhespannung der Batterie sind jedoch nur theoretische Werte unter Idealbedingungen. In der Realität sind diese verschiedensten Einflüssen ausgesetzt, weswegen dessen praktischen Größen stark von den theoretisch bestimmten abweichen. (1)

Literaturverzeichnis

1. Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz. Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Neusäß: Ubooks Verlag, 2006.
2. Aachen, ISEA RWTH.
3. Benedix, Roland. Bauchemie - Einführung in die Chemie für Bauingenieure und Architekten. Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag, 2011.

 

Butler-Volmer-Gleichung

Der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom an einer Elektrode ist in dem unten dargestellten Diagramm zu erkennen.

Auf der X-Achse ist die Potentialdifferenz in Volt, d.h. die Differenz zwischen Gleichgewichtsspannung und tatsächlicher Spannung an der Batterie, aufgetragen. Die Y-Achse stellt die Stromdichte in Ampere dar. Die beiden Exponentiallinien, eine im positiven und eine im negativen Bereich, sind die Kennlinien der Lade- bzw. Entladereaktion an einer Elektrode. Diese beiden Reaktionen laufen parallel in der Batterie ab. Der Ruhezustand, bei welchem kein Stromfluss an der Batterie messbar ist, kann genau im Achsenschnittpunkt des Diagramms gefunden werden. Hier gleichen sich die Lade- und Entladereaktivität genau aus. Geht man auf der X-Achse vom Achsenschnittpunkt weg, erhöht sich der Betrag einer der beiden Kurven und die jeweils andere nähert sich null an. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten entspricht genau dem an der Batterie messbaren Strom. (2) (1)

Die Butler-Volmer-Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom mit Hilfe einer mathematischen Formel. Der Strom ist dabei, wie schon erwähnt, genau der Strom, welcher an den Polen der Batterie messbar ist. Dieser ist exponentiell abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen Ruhespannung und der sich an den Elektroden einstellenden Spannung. Aus diesem Grund sind in der Formel zwei Exponentialfunktionen vorhanden, eine für den Lade- und die andere für den Entladevorgang.
 

Anhand dieser Formel kann bestätigt werden, dass sich die beiden Terme im Achsenschnittpunkt genau aufheben. Ist nämlich die Spannung gleich null, so wird der gesamte Exponent der Exponentialfunktion gleich null. Da eine Exponentialfunktion hoch null genau eins ergibt, ist die Differenz der beiden Terme null und somit auch der Stromfluss in der Batterie. (2) (1)

Die in der Butler-Volmer-Gleichung und in dem Diagramm dargestellten Reaktionen laufen immer nur in einer Elektrode ab. In der jeweils anderen finden jedoch mit der gleichen Rate ebenfalls Reaktionen statt, da der Strom, welcher an den äußeren Polen messbar ist, durch beide Elektroden zwangsmäßig in der gleichen Menge fließen muss.

Die anderen in der Formel enthaltenen Parameter sind die aktive Oberfläche A, der Materialparameter i_0, die Temperatur T, der Symmetriefaktor ∝ und die Gaskonstante R. Je größer die aktive Oberfläche A in der Batterie ist, desto einfacher läuft die an der Elektrode stattfindende Reaktion ab. Dies bedeutet, dass der gleiche Stromfluss mit geringeren Spannungswerten erreicht werden kann. Der Symmetriefaktor ∝ gibt an, in welchem Verhältnis die Lade- und Entladereaktionen stattfinden. Eine Lithium-Ionen Batterie verfügt in der Regel über einen Symmetriefaktor von ∝=0,5 was bedeutet, dass Lade- und Entladereaktionen in einem sehr ausbalancierten Verhältnis vorliegen. Bleibatterien hingegen erreichen meist nur einen Wert von ∝=0,3. Somit muss für den Ladevorgang deutlich mehr Spannung aufgewendet werden. (2)

Da die Handhabung einer Formel mit zwei Exponentialfunktionen sehr komplex wäre, existieren zwei Vereinfachungen der Butler-Volmer-Gleichungen. Fließen in der Batterie kleine Ströme, kann mit e^x=1+x die Butler-Volmer-Gleichung zu ∆U=(R∙T)/F∙I/(A∙i_0 ) vereinfacht werden. Die Näherung für große Ströme, oft auch als Tafel-Gleichung bezeichnet, ist folgende ∆U=(R∙T)/(α∙F)∙ln(|I/(A∙i_0 )|). Diese beiden Terme können so für weitere Berechnungen verwendet werden, da sie wesentlich handlicher als die ursprüngliche Butler-Volmer-Gleichung sind. (3) (2) (1)

 

Literaturverzeichnis

1. Pohlmann, Ludwig. Elektrochemische Doppelschicht. Berlin: FU Berlin, 2005.
2. Aachen, ISEA RWTH.
3. Braunschweig, TU. Elektrodenkinetik. Braunschweig: s.n., 2002.

 

 

 
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