Batterien – Grundlagen, Systeme, Anwendungen

Alexander Börger forscht seit 2008 als Verantwortlicher für Starterbatterien bei der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Volkswagen in Wolfsburg. Nach seinem Chemiestudium an der TU Dresden und der Universidad de Salamanca promovierte Alexander Börger 2006 an der TU Braunschweig in Physikalischer Chemie und schloss dort anschließend zwei Jahre Postdoc-Forschung an. Heinz Wenzl ist seit 2010 Honorarprofessor an der TU Clausthal-Zellerfeld im Fach Batteriesysteme. Der Physiker und Wirtschaftsingenieur promovierte an der TU München und machte sich nach verschiedenen Tätigkeiten in der Industrie u.a. bei Leybold Heraeus 1993 mit einem Ingenieurbüro zur Beratung für Batterien und Energietechnik selbständig. Er ist in der Landesinitiative Brennstoffzellen und Batterietechnologie Niedersachsen verantwortlich für die Projektentwicklung.

1 Einführung 1.1 Energieversorgung allgemein 1.2 Elektrochemische und nicht-elektrochemische Energiespeichertechnologien 1.3 Grundlegende Eigenschaften von Batterien, Gemeinsamkeiten und Unterschiede 1.4 Überbrückungszeit 1.5 Vergleich von Batterietechnologien 1.6 Anwendungen und Einordnung von Batterien in Gesamtsysteme 2 Elektrochemische Grundlagen 2.1 Elektrochemische Grundbegriffe 2.2 Elektrochemische Thermodynamik 2.3 Elektrochemische Kinetik 2.4 Ersatzschaltbilder 2.5 Nebenreaktionen 3 Laden und Entladen von Zellen und Batterien 3.1 Begriffsbestimmungen Kapazität und Innenwiderstand 3.2 Begriffsbestimmung Laden und Entladen von Batterien 3.3 Entladen und Laden von Elektroden einer Zelle 3.4 Reihenschaltung von Elektrodenwechselwirkungen von Elektroden aufeinander 3.5 Entladen und Laden von Elektroden in einer Zelle 3.6 Auswirkungen eines Kurzschlusses einer Zelle bei Reihenschaltung 3.7 Fehlerpropagation, parallele Batteriestränge und Weiteres 4 Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen 4.1 Elektrochemische Anforderungen an die Struktur von Aktivmassen 4.2 Aufbau von Zellen 4.3 Kombinierte Ionen- und Elektronenleitfähigkeit der Elektroden 4.4 Zellgehäuse und Batteriesysteme 5 Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien 5.1 Inhomogene Wärmekapazität und anisotrope Wärmeleitung 5.2 Wärmequelldichte 5.3 Wärmeaustausch mit der Umgebung 5.4 Wärmebilanz 5.5 Temperaturauswirkungen 5.6 Bestimmung thermischer Kenngrößen 6 Alterungseigenschaften von Batterien und Zellen 6.1 Klassifikation von Alterungsprozessen 6.2 Lebensdauer 6.3 Grenzen der Lebensdauer 6.4 Verfahren zur Lebensdauerprognose 7 Zustandsbestimmung von Zellen und Batterien 7.1 Motivation 7.2 Ladezustand und Entladetiefe 7.3 State of health und state of function 7.4 State of safety 8 Batteriemodelle 8.1 Klassifikation, Einsatz und Grenzen von Modellen 8.2 Ersatzschaltbildmodelle 8.3 Modelle mit ladezustandsunabhängigen Parametern: das Shepherd-Modell 8.4 Modelle mit ladezustandsabhängigen Parametern 8.5 Ablauf von Simulationen 8.6 Vergleich von Modellen 8.7 Modellbildung bei größeren Systemen 9 Parameterbestimmung 9.1 Begriffsbestimmung 9.2 Bestimmung durch physikochemische Methoden 9.3 Ruhespannungskurve 9.4 Innenwiderstandsbestimmung mit Strom- bzw. Spannungspulsen 9.5 Kurzschlussstrom 9.6 Parametrisierung für das Randles-Modell aus Pulsbelastungen (Messung im Zeitbereich) 9.7 Parameterbestimmung durch Messung des Impedanzspektrums (Messung im Frequenzbereich) 9.8 Messung des Wechselstrominnenwiderstands 9.9 Parametrisierung des Randles-Modells über alle Betriebszustände 10 Batterieanalytik 10.1 Methodenüberblick 10.2 Bewertung der Veränderungen elektrischer Kenngrößen 10.3 Elektrochemische Analyseverfahren 10.4 Chemische und spektroskopische Verfahren - Post-mortem-Analyseverfahren 10.5 In-situ-Analyseverfahren 10.6 Zusammenfassung 11 Übersicht über Batteriesysteme 11.1 Physikochemische Daten und Charakteristika 11.2 Investitions- und Betriebskosten 11.3 Marktstruktur 11.4 Verfügbarkeit von Informationen 11.5 Normungsdichte 12 Blei-Säure-Batterien 12.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 12.2 Elektrochemie 12.3 Weitere elektrochemische Reaktionen 12.4 Aktivmaterialien 12.5 Elektrolyt 12.6 Stromkollektoren, Gitter 12.7 Herstellungsverfahren und weitere Komponenten zur Herstellung von Zellen oder Blöcken 12.8 Strominhomogenität 12.9 Säureschichtung 12.10 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 12.11 Leistungsabgabe und Innenwiderstand 12.12 Laden und Ladekennlinien 12.13 Alterungseffekte 12.14 Korrosion des positiven Gitters, positiven Kopfbleis, negativer Pole und Interzellverbinder 12.16 Betriebsstrategien und konstruktive Auswirkungen für Blei-Säure-Batterien 12.17 Zustandsbestimmung 12.18 Sicherheit 12.19 Batterieprobleme 13 Lithium-Ionen-Batterien 13.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 13.2 Elektrochemie 13.3 Aktivmaterialien 13.4 Elektrolyt 13.5 Solid-electrolyte interface (SEI) und die Bedeutung für die Lithium-Ionen-Batterie 13.6 Stromkollektoren 13.7 Produktion von Elektroden 13.8 Separatoren 13.9 Sicherheitsmaßnahmen 13.10 Bauformen von Lithium-Ionen-Batterien 13.11 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 13.12 Eigenschaften 13.13 Innenwiderstandsmessung 13.14 Laden und Ladekennlinien 13.15 Alterungseffekte 13.16 Einfluss kalendarischer und zyklischer Alterung und Modellierung 13.17 Batteriemanagementsysteme und Batteriebetriebsstrategien 13.18 Zustands- und Parameterbestimmung 13.19 Sicherheit 13.20 State of Safety 13.21 Interne Kurzschlüsse 13.22 Thermal Runaway und thermische Propagation 13.23 Sicherheitsengineering 13.24 Batterieprobleme 14 Andere Batterietechnologien 14.1 Alkalische Nickel-Batterien 14.2 Zink-Luft-Batterien 14.3 Redox-Flow-Batterien 14.4 Hochtemperaturbatterien 14.5 Lithium-Feststoffelektrolyt-Batterien 14.6 Lithium-Schwefel-Batterien 14.7 Lithium-Luft-Batterien 14.8 Natrium-Luft-Batterien 14.9 Ultrakondensatoren und Hybridbatterien 15 Übersicht über Anwendungen 15.1 Allgemeine Bemerkungen 15.2 Leistungsverlauf 15.3 Ladezustand und Restkapazität 15.4 Wirkungsgrad 15.5 Sicherheit und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 15.6 Unterteilung in Anwendungsbereiche 16 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 16.1 Begriffsbestimmung 16.2 Anforderungen an die Batterie 16.3 Wahl der Batterietechnologie 16.4 Auslegung und Betrieb 16.5 Überwachung der Batterie 16.6 Sonstiges 17 Batterien für die Elektromobilität 17.1 Begriffsbestimmung 17.2 Anforderungen an die Batterie 17.3 Wahl der Batterietechnologie 17.4 Aufbau des Batteriesystems 17.5 Auslegung und Betrieb 17.6 Überwachung der Batterie 17.7 Sonstiges 18 Traktionsbatterien für den innerbetrieblichen Transport 18.1 Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 18.2 Kleintraktionsbatterien 19 Stationäre Anwendungen von Batterien 19.1 Bereitschaftsparallelbetrieb für Netzersatz- und USV-Anlagen 19.2 Dieselstart bei Netzersatzanlagen 19.3 Batterien für den zeitlichen Ausgleich von Stromnachfrage und -angebot 19.4 Batterien für die Stabilisierung des Energieversorgungssystems 20 Batterien für portable Anwendungen 20.1 Begriffsbestimmung 20.2 Anforderungen an die Batterie 20.3 Wahl der Batterietechnologie 20.4 Auslegung und Betrieb 20.5 Überwachung der Batterien 20.6 Sonstiges Anhang A Übersicht über Begriffe Anhang B Sicherer und umweltverträglicher Umgang mit Batterien B.1 Generelles B.2 Elektrische Sicherheit B.3 Brandschutz B.4 Explosionsschutz B.5 Bauliche Maßnahmen und Transport B.6 Umweltbelastung und Entsorgung Anhang C Normenübersicht Anhang D Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) D.1 Begriffsübersicht D.2 Ergebnisdarstellung D.3 Bestimmung von Zellparametern mittels Impedanzspektroskopie D.4 Qualität der Parameterbestimmung Anhang E Säureschichtung Stichwortverzeichnis