Da die Welt sich zunehmend auf Energiespeicherlösungen konzentriert, ist es von entscheidender Bedeutung, die Kerntechnologie hinter diesen Systemen – Batterien – zu verstehen. Bei RICHYE haben wir einen detaillierten und leicht verständlichen Leitfaden zusammengestellt, der Ihnen dabei helfen soll, die Grundlagen von Batterien und ihren Anwendungen zu verstehen. Am Ende dieser Ressource verfügen Sie über eine solide Grundlage in der Batterietechnologie und sind auf dem besten Weg, sich Wissen über diese wichtige Branche anzueignen. Viel Spaß bei Ihrer Lernreise!

1. Die Batterielandschaft

Batterietypen und ihre Funktionen

Primärbatterien (Einwegbatterien)

• Zink-Kohle-Batterien: Diese Basisbatterien findet man häufig in Alltagsgegenständen wie Fernbedienungen und Wanduhren. Sie sind zwar erschwinglich, haben aber eine kurze Lebensdauer und eine geringere Energiedichte.

Sekundärbatterien (wiederaufladbar)

• Blei-Säure-Batterien: Bleibatterien werden häufig in Fahrzeugen und kleinen Elektrofahrzeugen verwendet und sind kostengünstig und zuverlässig. Allerdings sind sie relativ schwer und bieten im Vergleich zu neueren Technologien eine geringere Energiedichte.
• Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd): NiCd-Akkus waren einst in frühen Mobiltelefonen weit verbreitet, sind heute jedoch aufgrund ihrer Umweltbelastung und des Memory-Effekts, der ihre Leistungsfähigkeit mit der Zeit verringert, weitgehend überholt.
• Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus: Diese Batterien werden in Anwendungen eingesetzt, die hohe Entladeströme erfordern, wie etwa in medizinischen Geräten und Hybridfahrzeugen. Sie sind umweltfreundlicher und bieten eine bessere Energiedichte als NiCd-Batterien.
• Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Akkus werden häufig in modernen elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops sowie in Elektrofahrzeugen verwendet und bieten eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer ohne den Memory-Effekt, der bei NiCd-Akkus auftritt.

Neue Technologien

• Durchflussbatterien: Aufgrund ihrer Skalierbarkeit sind Durchflussbatterien ideal für die Energiespeicherung im großen Maßstab geeignet. Sie verwenden flüssige Elektrolyte, die durch eine Membran getrennt sind. Für mobile Anwendungen werden sie derzeit noch entwickelt.

Jeder Batterietyp hat spezifische Stärken und Schwächen, wodurch er für verschiedene Anwendungen in verschiedenen Branchen geeignet ist. Mit dem technologischen Fortschritt dürften neuere Batterietypen wie Festkörperbatterien und fortschrittliche Lithiumbatterien Leistung und Sicherheit weiter verbessern.

Notiz: Der Begriff „Lithiumbatterie„“ bezog sich zunächst auf primäre Lithium-Metall-Batterien, die heute aus Sicherheitsgründen veraltet sind. Heute bezieht sich „Lithiumbatterien“ in der Regel auf Lithium-Ionen-Batterien. Beispiele hierfür sind die täglich verwendeten AA- und AAA-Trockenzellen, frühe Mobiltelefone mit NiMH-Batterien und die Lithium-Ionen-Batterien, die in modernen Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind.

2. Wichtige Batterieterminologie

SOX: Zustand von X

• H (Gesundheit): Zeigt den Gesamtzustand der Batterie an.
• C (Kapazität): Bezieht sich auf die gesamte Energiespeicherkapazität der Batterie.
• P (Leistung): Bezeichnet die Fähigkeit der Batterie, schnell Energie abzugeben.
• E (Energie): Stellt den Energieinhalt der Batterie dar.

SOC (Ladezustand): Dieser Begriff beschreibt, wie viel Ladung eine Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, von 0 (vollständig entladen) bis 1 (vollständig geladen), ähnlich wie beim Messen des Wasserstands in einem Eimer.

DOD (Entladetiefe): Gibt den Anteil der Akkukapazität an, der bereits genutzt wurde. Ein vollständig geladener Akku hat einen DOD von 0, während ein vollständig entladener Akku einen DOD von 1 hat. Die Beziehung zwischen DOD und SOC wird wie folgt ausgedrückt: DOD + SOC = 1.

3. Lithium-Ionen-Akku Klassifikationen

Nach Leistung:

• Antriebsart: Entwickelt für hohe Leistungsabgabe über kurze Zeiträume.
• Energieart: Optimiert für die längerfristige Energiespeicherung.

Nach physischer Form:

• Zylindrisch: Standardmäßige zylindrische Form.
• Prismatisch (Stahl/Aluminiumgehäuse): Rechteckige oder quadratische Form mit Metallgehäuse.
• Beutel (Aluminium-Kunststofffolie): Flexible, leichte Folienhülle.

Nach Elektrolytmaterial:

• Flüssige Lithium-Ionen-Batterie (LIB): Verwendet flüssige Elektrolyte für Stromanwendungen.
• Polymer-Lithium-Ionen-Akku (PLB): Verwendet feste oder gelartige Polymerelektrolyte.

Nach Kathodenmaterial:

• Lithiumeisenphosphat (LFP): Bekannt für Sicherheit und Langlebigkeit.
• Lithiumkobaltoxid (LCO): Bietet eine hohe Energiedichte, aber eine kürzere Lebensdauer.
• Lithium-Mangan-Oxid (LMO): Gleicht Leistung und Kapazität aus.
• Binäre und ternäre Batterien: Beinhaltet Variationen wie LiNiMnO2, LiNiCoO2, NCM und NCA.

Nach Anodenmaterial:

• Lithiumtitanat (LTO): Zeichnet sich durch schnelles Laden und hohe Zyklenfestigkeit aus.
• Graphen- und Nano-Kohlefaser-Batterien: Verwenden Sie fortschrittliche Materialien, um die Leitfähigkeit und Kapazität zu verbessern.

18650 Batterie: Das Modell 18650 ist ein standardisiertes Lithium-Ionen-Batteriemodell, wobei „18“ einen Durchmesser von 18 mm und „65“ eine Länge von 65 mm bedeutet. Es ist normalerweise in den Varianten Lithium-Ionen und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) mit unterschiedlichen Kapazitäten und Spannungen erhältlich. Die Standardisierung gewährleistet Zuverlässigkeit und Sicherheit, wobei im Laufe der Zeit Verbesserungen vorgenommen werden, um potenziellen Gefahren vorzubeugen.

4. Lithium-Ionen-Akku Spannung und Kapazität

Die Spannung von Lithium-Ionen-Akkus variiert je nach Entladestrom, Temperatur und Elektrodenmaterial. Die Spannung ändert sich beim Laden und Entladen, aber üblicherweise wird eine Durchschnittsspannung von 3,7 V verwendet. Fortschritte bei den Materialien haben zu Variationen bei Nennspannungen und Kapazitäten geführt, wodurch die Leistung für verschiedene Anwendungen optimiert wurde.

5. Warum Lithium-Ionen-Batterien wählen?

Leicht: Lithium-Ionen-Akkus verfügen im Vergleich zu Blei- und NiMH-Akkus über eine höhere Energiedichte (200–260 Wh/kg) und sind daher bei gleicher Kapazität deutlich leichter.

Schnelles Laden: Lithium-Ionen-Akkus können in etwa 3 Stunden vollständig aufgeladen werden, viel schneller als NiMH-Akkus.

Kein Memory-Effekt: Im Gegensatz zu NiMH-Akkus leiden Lithium-Ionen-Akkus nicht unter dem Memory-Effekt und behalten ihre Kapazität, ohne dass umfangreiche Lade- und Entladezyklen erforderlich sind.

Umweltfreundlich: Im Vergleich zu Bleibatterien verursachen Lithiumbatterien weniger Umweltbelastungen und lassen sich besser recyceln.

6. Sicherheitsüberlegungen für Lithiumbatterien

Trotz ihrer Vorteile bergen Lithiumbatterien aufgrund der hohen Reaktivität des Lithiums Sicherheitsrisiken. Probleme wie thermisches Durchgehen – verursacht durch Überladung, Überhitzung oder physische Beschädigung – können zu gefährlichen Reaktionen führen. Verbesserte Sicherheitsdesigns und -protokolle sind entscheidend, um diese Risiken zu mindern.

Thermisches Durchgehen: Kann durch mechanischen, elektrischen oder thermischen Missbrauch ausgelöst werden und zu übermäßiger Hitze und potenziellen Sicherheitsrisiken führen.

7. Anwendungen und Zukunftsaussichten

Anwendungen:

• Elektrofahrzeuge (EVs): Lithium-Ionen-Batterien sind für den Antrieb von Elektroautos von entscheidender Bedeutung, da sie eine hohe Energiedichte und Langlebigkeit bieten.
• Speicherung erneuerbarer Energien: Wird verwendet, um Energie aus intermittierenden Quellen wie Sonne und Wind zu speichern.
• Unterhaltungselektronik: Unverzichtbar für Geräte wie Smartphones, Laptops und Tablets.
• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Bereitstellung von Energie für Satelliten, Raumfahrzeuge und militärische Ausrüstung.
• Medizinische Geräte: Versorgen Sie kritische Geräte mit Strom, z. B. Herzschrittmacher und tragbare Diagnosegeräte.

Fortschritte:

• Festkörperbatterien: Bieten Sie mit festen Elektrolyten mehr Sicherheit und Energiedichte.
• Lithium-Schwefel-Batterien: Streben Sie eine höhere Energiedichte an, wobei die aktuelle Einschränkung durch laufende Forschung angegangen wird.
• Recycling-Technologien: Verbesserung der Effizienz bei der Rückgewinnung wertvoller Materialien aus Altbatterien.

Zukünftige Richtungen:

• Speicher im Versorgungsmaßstab: Zunehmender Einsatz von Netzspeichern aufgrund sinkender Kosten.
• Verbesserte Sicherheitsfunktionen: Laufende Innovationen zur Reduzierung der mit Lithiumbatterien verbundenen Risiken.
• Verbesserungen in der globalen Lieferkette: Bemühungen zur Gewährleistung einer stabilen und nachhaltigen Versorgung mit kritischen Materialien.

Dieser Leitfaden soll Ihnen ein umfassendes Verständnis der Batterietechnologien und ihrer Entwicklung vermitteln. Bei RICHYE möchten wir Ihnen dabei helfen, die Fortschritte in der Batterietechnologie für eine nachhaltigere Zukunft zu nutzen.