Buch, Deutsch, 542 Seiten, Format (B × H): 173 mm x 241 mm, Gewicht: 1088 g
Buch, Deutsch, 542 Seiten, Format (B × H): 173 mm x 241 mm, Gewicht: 1088 g
ISBN: 978-3-527-33883-2
Verlag: Wiley-VCH GmbH
Autoren/Hrsg.
Fachgebiete
- Naturwissenschaften Chemie Physikalische Chemie Elektrochemie, Magnetochemie
- Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Energieumwandlung, Energiespeicherung
- Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Materialwissenschaft: Biomaterialien, Nanomaterialien, Kohlenstoff
Weitere Infos & Material
1. Einleitung
Was sind Energiespeicher? Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien und grundsätzliche Eigenschaften;
Batterien sind nur eine Option zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung von Energiesystemen und stehen in Konkurrenz zu anderen Energiespeichertechnologien und alternativen Systemlösungen.
TEIL 1: GRUNDLAGEN
2. Elektrochemische Grundlagen
Spannungs als Ergebnis einer Ladungsträgertrennung; thermodynamische Gleichgewichtsspannung (Nernst Gleichung) und Ruhespannung;
Kinetik (Butler-Volmer-Gleichung);
Haupt und Nebenreaktionen und Nutzung von Ersatzschaltbildern zur Verdeutlichung der Strompfade beim Entladen und Laden.
3. Laden und Entladen von Zellen und Batterien
Entlade- und Ladekurven sind für alle Batterietechnologien ähnlich und können durch die Butler-Volmer-Gleichung abgeleitet werden;
Zellen in Reihe und die Notwendigkeit von Batteriemanagementsystemen bei Batterietechnologien ohne Nebenreaktionen.
4. Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen
Elektrochemische Anforderungen "Drei-Phasen-Grenze" diktiert den Aufbau aller Batterien (Elektroden mit großer makroskopischer Fläche, poröse Struktur mit sehr großer mikroskopischer Fläche und geringem Abstand)
5. Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien
Anisotrope Wärmeleitfähigkeit und inhomogene Wärmekapazität führt zu inhomogener Temperaturverteilung. Die Wärmeerzeugung hängt von der Stromamplitude (nicht-quadratisch) und von der Stromrichtung ab. Zellen können bei Stromfluss auch kälter werden.
6. Alterungseigenschaften von Zellen und Batterien
Definition von Lebensdauerende als nicht mehr gewährleistete Funktionserfüllung;
Lebensdauerprognosemodelle
7. Zustandsbestimmung von Zellen und Batterien
Ladezustand - komplexer Begriff und schwierige Bestimmung, State of Energy, State of Health and State of Function, State of Safety
8. Batteriemodelle
Shepherd-Modell als Basis für Look-up Tabellen;
Fokus auf Ersatzschaltbildmodelle wegen unmittelbarer Verständlichkeit, örtlich aufgelöste Modelle zur Darstellung von Inhomogenitäten
9. Parameterbestimmung
Kapazität und Innenwiderstand in Abhängigkeit von Temperatur, Stromamplitude und Stromrichtung, Messung von Relaxationszeiten im Zeitbereich oder Frequenzbereich
10. Batterieanalytik
Übersicht über die üblichen Methoden zur Bestimmung von Materialeigenschaften
TEIL 2: SYSTEME
11. Übersicht über Batteriesysteme
Die Dominanz von Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien ist das Ergebnis ihrer technischen und wirtschaftlichen Überlegenheit für viele wichtige Anwendungsbereiche.
12. Blei-Säure-Batterien
Umfassende Darstellung der elektrochemischen Grundlagen, Materialien, Eigenschaften und Einsatzgrenzen
13. Lithium-Ionen-Batterien
Umfassende Darstellung der elektrochemischen Grundlagen, Materialien, Eigenschaften und Einsatzgrenzen
14. Andere Batterietechnologien
Übersicht über kommerziell noch oder in Zukunft vielleicht relevante Batteriesysteme
TEIL 3: ANWENDUNGEN
15. Übersicht über Anwendungen
Kenntnis des Leistungsverlaufs im Detail ist entscheidend. Batterien werden meistens mit hoher Stromdynamik betrieben (Wechselstromanteil kann Gleichstromanteil deutlich übersteigen).
Wirkungsgrad als problematische Kenngröße
16. Starterbatterien für Fahrzeuge (Starting, lighting, ignition, SLI)
Überwiegend noch Blei-Säure-Batterien wegen Kostengründen und guten Tieftemperatureigenschaften ? dass Gute ist der Feind des Besseren
17. Batterien für die Elektromobilität
Fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batterien ? zukünftig der dominierende Markt
18. Traktionsbatterien für den innerbetrieblichen Transport
Unterordnung unter die betrieblichen Anforderungen (Preis, Gewicht selten ein Nachteil und oft vorteilhaft). Lithium-Ionen-Batterien noch seltene Ausnahmen
19. Stationäre Anwendungen von Batterien
Sehr inhomogener Markt mit sehr unterschiedlichen Anforderungen
20. Batterien für portable Anwendungen
Inzwischen fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batterien mit der bei weitem höchsten Stückzahl.
Anhang A: Übersicht über Begriffe
Anhang B: Sicherer und umweltverträglicher Umgang mit Batterien
Anhang C: Normenübersicht
Anhang D: Elektrochemische Impedanzspektroskopie
Anhang E: Säureschichtung
vorwort v
Symbolverzeichnis xxiii
1 Einführung 1
1.1 Energieversorgung allgemein 1
1.2 Elektrochemische und nicht-elektrochemische Energiespeichertechnologien 3
1.3 Grundlegende Eigenschaften von Batterien, Gemeinsamkeiten und Unterschiede 5
1.4 Überbrückungszeit 7
1.5 Vergleich von Batterietechnologien 9
1.6 Anwendungen und Einordnung von Batterien in Gesamtsysteme 10
Literatur 12
Aufgaben 12
2 Elektrochemische Grundlagen 15
2.1 Elektrochemische Grundbegriffe 16
2.1.1 Einige Definitionen 16
2.1.2 Spannung und Ladungsträgerverteilung 17
2.1.3 Die spannungsbildenden Reaktionen – Hauptreaktionen 18
2.1.4 Doppelschichtkondensator und Austauschstromdichte 20
2.1.5 Faradaysche Zahl 21
2.1.6 Theoretische spezifische Kapazität von Elektroden oder Zellen 21
2.2 Elektrochemische Thermodynamik 22
2.2.1 Energiebilanz und Gleichgewichtsspannung 22
2.2.2 Konzentrationsabhängigkeit der Gleichgewichtsspannung (Nernst-Spannung) 23
2.2.3 Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtsspannung 24
2.2.4 Entropieterm und Wärmetönung – reversible Wärme 24
2.2.5 Elektrochemische Spannungsreihe 24
2.2.6 Grenzen thermodynamischer Betrachtungen 25
2.2.7 Theoretische spezifische Energie 26
2.2.8 Referenzelektrode 26
2.3 Elektrochemische Kinetik 27
2.3.1 Überspannungsarten 27
2.3.2 Ladungsträgerdurchtrittsspannung 28
2.3.3 Butler-Volmer-Gleichung 28
2.3.4 Abhängigkeit der BV-Gleichung von wichtigen Systemparametern 33
2.3.5 Widerstandsverluste bei der Stromleitung – ohmsche Erwärmung 37
2.3.6 Auswirkungen der Temperatur 37
2.3.7 U-I-Kennlinie von elektrochemischen Systemen 40
2.4 Ersatzschaltbilder 41
2.4.1 Grundlagen elektrochemischer Ersatzschaltbilder 41
2.4.2 Grundlegende Ersatzschaltbilder einer Elektrode und einer Zelle 42
2.4.3 Ersatzschaltbild bei konstantem Strom 44
2.5 Nebenreaktionen 45
Literatur 47
Aufgaben 47
3 Laden und Entladen von Zellen und Batterien 51
3.1 Begriffsbestimmungen Kapazität und Innenwiderstand 52
3.1.1 Kapazität 52
3.1.2 Innenwiderstand 54
3.2 Begriffsbestimmung Laden und Entladen von Batterien 54
3.2.1 Entladen 55
3.2.2 Laden 55
3.2.3 Ladefaktor und Wirkungsgrad 58
3.3 Entladen und Laden von Elektroden einer Zelle 59
3.3.1 Bedeutung der BV-Gleichung für den Verlauf von Strom und Spannung 59
3.3.2 Entladen und Laden mit konstantem Strom 61
3.3.3 Laden mit konstantem Strom 62
3.3.4 Strom- und Spannungsverlauf von Batterien 64
3.4 Reihenschaltung von Elektrodenwechselwirkungen von Elektroden aufeinander 65
3.5 Entladen und Laden von Elektroden in einer Zelle 66
3.5.1 Bedeutung von Nebenreaktionen bei Reihenschaltung 67
3.5.2 Entladen von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihenschaltung 68
3.5.3 Entladen von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 69
3.5.4 Laden von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 72
3.5.5 Laden von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihe 75
3.6 Auswirkungen eines Kurzschlusses einer Zelle bei Reihenschaltung 76
3.7 Fehlerpropagation, parallele Batteriestränge und Weiteres 77
Literatur 77
Aufgaben 77
4 Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen 81
4.1 Elektrochemische Anforderungen an die Struktur von Aktivmassen 82
4.1.1 Allgemeine Anforderungen 82
4.1.2 Verfügbarkeit von Reaktanten 84
4.1.3 Ionische und elektronische Leitfähigkeit von Elektroden und Zellen 85
4.1.4 Mechanische Beanspruchung der Elektroden 86
4.2 Aufbau von Zellen 87
4.2.1 Allgemeine Hinweise 87
4.2.2 Bipolarplattenaufbau 88
4.2.3 Stapelzellen und gewickelte Zellen 88
4.3 Kombinierte Ionen- und Elektronenleitfähigkeit der Elektroden 94
4.4 Zellgehäuse und Batteriesysteme 95
4.4.1 Allgemeine Anforderungen 95
4.4.2 Spezifische Energie von Zellen, Modulen und Batteriesystemen 96
Literatur 97
Aufgaben 97
5 Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien 99
5.1 Inhomogene Wärmekapazität und anisotrope Wärmeleitung 100
5.2 Wärmequelldichte 101
5.2.1 Wärmequellen 101
5.2.2 Widerstandsverluste bei der Stromleitung – ohmsche Erwärmung 102
5.2.3 Ladungsträgerdurchtritt 103
5.2.4 Reversible Wärme der Reaktion 104
5.2.5 Chemische Reaktionen 105
5.2.6 Vergleich der Wärmeerzeugungsterme 105
5.3 Wärmeaustausch mit der Umgebung 106
5.3.1 Wärmeleitung 106
5.3.2 Konvektion 107
5.3.3 Strahlung 107
5.4 Wärmebilanz 107
5.5 Temperaturauswirkungen 108
5.6 Bestimmung thermischer Kenngrößen 110
Literatur 110
Aufgabe 110
6 Alterungseigenschaften von Batterien und Zellen 111
6.1 Klassifikation von Alterungsprozessen 112
6.2 Lebensdauer 113
6.2.1 Definition Lebensdauerende 113
6.2.2 Bestimmung des Lebensdauerendes 116
6.2.3 Veränderungen der Eigenschaften während der Nutzung 117
6.3 Grenzen der Lebensdauer 119
6.3.1 Grundsätzliche Begrenzung der Lebensdauer 119
6.3.2 Herstellerangaben über die zu erwartende Lebensdauer 119
6.4 Verfahren zur Lebensdauerprognose 120
6.4.1 Gewichtete Amperestundendurchsatzverfahren 120
6.4.2 Ereignisbasierte Lebensdauerprognoseverfahren 121
6.4.3 Prognose des Kapazitäts- und Innenwiderstandsverlaufs 122
Literatur 123
Aufgaben 124
7 Zustandsbestimmung von Zellen und Batterien 125
7.1 Motivation 126
7.2 Ladezustand und Entladetiefe 127
7.2.1 Strenge Definition des Ladezustands 127
7.2.2 Hauptreaktionsstrom 128
7.2.3 Messung des Batteriestroms 129
7.2.4 Yazami-Theorem 131
7.2.5 Experimentelle Bestimmung des Ladezustands 131
7.2.6 Entladetiefe 132
7.2.7 State of energy 132
7.3 State of health und state of function 133
7.3.1 Begriffe 133
7.3.2 Abgrenzung und Diskussion der Begriffe state of function und state of health 133
7.3.3 Messung von SoH und SoF 135
7.4 State of safety 136
Literatur 136
Aufgabe 137
8 Batteriemodelle 139
8.1 Klassifikation, Einsatz und Grenzen von Modellen 139
8.1.1 Zum Begriff des Batteriemodells 139
8.1.2 Nutzung von Modellen 140
8.1.3 Einsatzgrenzen 141
8.2 Ersatzschaltbildmodelle 141
8.2.1 Grundsätzliches 141
8.2.2 Aufbau von Ersatzschaltbildmodellen 142
8.2.3 Elektrolytkondensatoreigenschaften einer Batterie 144
8.2.4 Berücksichtigung von zeitlichen Prozessen, Massentransport und Temperatur 145
8.2.5 Örtlich aufgelöste Ersatzschaltbildmodelle 145
8.2.6 Relaxationsprozesse 146
8.3 Modelle mit ladezustandsunabhängigen Parametern: das Shepherd-Modell 147
8.4 Modelle mit ladezustandsabhängigen Parametern 149
8.4.1 Thévenet-Modell 149
8.4.2 Randles-Modell 149
8.5 Ablauf von Simulationen 150
8.6 Vergleich von Modellen 152
8.7 Modellbildung bei größeren Systemen 152
Literatur 154
Aufgaben 154
9 Parameterbestimmung 155
9.1 Begriffsbestimmung 155
9.2 Bestimmung durch physikochemische Methoden 156
9.2.1 Experimentelle Bestimmung 156
9.2.2 Kapazitätsbestimmung 158
9.2.3 Temperatur- und Stromabhängigkeit der Kapazität 158
9.2.4 Kältekapazität und Kälteprüfstrom 159
9.2.5 Überbrückungszeiten mit konstanter Leistung 159
9.3 Ruhespannungskurve 160
9.4 Innenwiderstandsbestimmung mit Strom- bzw. Spannungspulsen 160
9.5 Kurzschlussstrom 163
9.6 Parametrisierung für das Randles-Modell aus Pulsbelastungen (Messung im Zeitbereich) 164
9.7 Parameterbestimmung durch Messung des Impedanzspektrums (Messung im Frequenzbereich) 164
9.8 Messung des Wechselstrominnenwiderstands 166
9.9 Parametrisierung des Randles-Modells über alle Betriebszustände 167
Literatur 168
Aufgaben 169
10 Batterieanalytik 171
10.1 Methodenüberblick 171
10.2 Bewertung der Veränderungen elektrischer Kenngrößen 172
10.3 Elektrochemische Analyseverfahren 173
10.3.1 Stationäre elektrochemische Analyseverfahren 174
10.3.2 Quasistationäre elektrochemische Analyseverfahren 174
10.3.3 Nicht-stationäre Verfahren 176
10.4 Chemische und spektroskopische Verfahren – Post-mortem-Analyseverfahren 178
10.4.1 Allgemeines 178
10.4.2 Chemische Techniken inkl. Trennverfahren und Charakterisierungsverfahren für Oberflächen und Korngrößen 178
10.4.3 Mikroskopische Techniken 179
10.4.4 Spektroskopische Techniken 181
10.4.5 Diffraktometrische Techniken 183
10.5 In-situ-Analyseverfahren 184
10.6 Zusammenfassung 185
Literatur 185
Aufgaben 186
11 Übersicht über Batteriesysteme 187
11.1 Physikochemische Daten und Charakteristika 187
11.2 Investitions- und Betriebskosten 191
11.3 Marktstruktur 192
11.4 Verfügbarkeit von Informationen 192
11.5 Normungsdichte 193
Weiterführende Literatur 194
12 Blei-Säure-Batterien 195
12.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 196
12.2 Elektrochemie 196
12.2.1 Übersicht über aktive Komponenten 197
12.2.2 Übersicht über die wichtigsten Reaktionen an der positiven und negativen Elektrode 198
12.2.3 Beschreibung der Hauptreaktionen 200
12.2.4 Überentladereaktionen beim Entladen 201
12.2.5 Nebenreaktionen der positiven und negativen Elektrode beim Überladen 203
12.2.6 Nebenreaktionen und Selbstentladung im Ruhezustand 205
12.2.7 Laden und Entladen von Zellen in Reihe 206
12.3 Weitere elektrochemische Reaktionen 207
12.3.1 Batterien mit internem Sauerstoffkreislauf (verschlossene Batterien, VRLA) 208
12.3.2 Elektrochemie 208
12.4 Aktivmaterialien 213
12.4.1 Elektrische Leitfähigkeit der Aktivmassen 214
12.4.2 Effektive Oberfläche und Mikrostruktur der Aktivmassen 216
12.4.3 Bleisulfat 217
12.4.4 Spannungssack zu Beginn der Entladung 218
12.4.5 Herstellungsverfahren 220
12.5 Elektrolyt 220
12.6 Stromkollektoren, Gitter 222
12.6.1 Korrosionsbeständigkeit 224
12.6.2 Elektrischer Widerstand 224
12.6.3 Mechanische Stabilität 225
12.6.4 Elektrischer Kontakt zwischen Gittern und Aktivmassen 226
12.7 Herstellungsverfahren und weitere Komponenten zur Herstellung von Zellen oder Blöcken 226
12.7.1 Herstellung von Stromkollektoren und Elektroden (Platten) 226
12.7.2 Separator 227
12.7.3 Herstellung von Plattensätzen 228
12.7.4 Batteriegehäuse und Deckel 229
12.7.5 Zellverbinder 230
12.8 Strominhomogenität 230
12.9 Säureschichtung 232
12.10 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 235
12.10.1 Auslegung von Zellen 235
12.10.2 Starterbatterien 236
12.10.3 Traktionsbatterien für Flurförderzeuge und Semitraktionsbatterien 237
12.10.4 Batterien für stationäre bzw. ortsfeste Anlagen 238
12.10.5 Eigenschaften 239
12.10.6 Entladeverhalten und Kapazität 239
12.10.7 Überwachungsanforderungen beim Entladen 246
12.11 Leistungsabgabe und Innenwiderstand 246
12.12 Laden und Ladekennlinien 248
12.12.1 Grundlegendes zum Laden von Blei-Säure-Batterien 248
12.12.2 IU-Ladekennlinie 249
12.12.3 IUoU-Ladekennlinie 251
12.12.4 Weitere Ladekennlinien 252
12.12.5 Bewertung der Ladekennlinien 255
12.12.6 Vollladekriterien 257
12.13 Alterungseffekte 258
12.13.1 Übersicht zu Alterungseffekten 258
12.13.2 Verminderung der Oberfläche der aktiven Massen 260
12.13.3 Sulfatierung 260
12.13.4 Premature capacity loss (PLC) 261
12.13.5 Abschlammen der Aktivmasse 261
12.13.6 Korrosion des Separators 262
12.13.7 Austrocknen des Elektrolyts (verschlossene Batterien) 262
12.13.8 Dendritenbildung 263
12.13.9 Sauerstoffverzehr und Entstehung von Unterdruck in verschlossenen Batterien 263
12.14 Korrosion des positiven Gitters, positiven Kopfbleis, negativer Pole und Interzellverbinder 263
12.14.1 Korrosion des positiven Gitters 263
12.14.2 Auswirkungen der Gitterkorrosion 265
12.14.3 Korrosion der positiven Pole und Polbrücken (Kopfblei) 267
12.14.4 Korrosion der negativen Gitter, Pole und Polbrücken 269
12.14.5 Explosionsrisiko 270
12.15 Korrosion der Interzellverbinder 270
12.16 Betriebsstrategien und konstruktive Auswirkungen für Blei-Säure-Batterien 272
12.17 Zustandsbestimmung 274
12.17.1 Ladezustand 274
12.17.2 Kapazität bzw. State of Health 276
12.18 Sicherheit 277
12.18.1 Explosionsrisiko durch Knallgas 277
12.18.2 Wässrige Schwefelsäure 278
12.18.3 Umgang mit Blei 279
12.19 Batterieprobleme 279
Literatur 280
Aufgaben 283
13 Lithium-Ionen-Batterien 287
13.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 288
13.2 Elektrochemie 288
13.2.1 Grundprinzip 288
13.2.2 Übersicht über aktive Komponenten 290
13.2.3 Übersicht über die wichtigsten Reaktionen an der positiven und negativen Elektrode 291
13.2.4 Nebenreaktionen 293
13.2.5 Überlade- und Überentladereaktionen 294
13.3 Aktivmaterialien 294
13.3.1 Kathodenmaterialien 294
13.3.2 Anodenmaterialien 297
13.3.3 Ionenleitfähigkeit der Aktivmassen 301
13.4 Elektrolyt 301
13.4.1 Grundsätzliches 301
13.4.2 Organische Lösungsmittel 302
13.4.3 Weitere Bestandteile 303
13.5 Solid-electrolyte interface (SEI) und die Bedeutung für die Lithium-Ionen-Batterie 305
13.6 Stromkollektoren 307
13.7 Produktion von Elektroden 308
13.8 Separatoren 309
13.9 Sicherheitsmaßnahmen 310
13.10 Bauformen von Lithium-Ionen-Batterien 312
13.10.1 Aufbau von Zellen 312
13.10.2 Aufbau von Modulen und Batterien 315
13.11 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 316
13.11.1 Auslegung von Zellen 316
13.11.2 Elektrotraktionsbatterien 318
13.11.3 Starterbatterien 318
13.11.4 Batterien für stationäre bzw. ortsfeste Anlagen 319
13.11.5 Consumer-Batterien 320
13.12 Eigenschaften 321
13.12.1 Entladeverhalten und Kapazität 321
13.12.2 Kapazitätsangabe und Kapazitätsmessung 322
13.12.3 Überwachungsanforderungen 322
13.13 Innenwiderstandsmessung 323
13.14 Laden und Ladekennlinien 323
13.14.1 Ladekennlinien 323
13.14.2 Vollladung 324
13.14.3 Festkörperdiffusion beim Entladen und Laden 324
13.14.4 Laden bei tiefen Temperaturen 325
13.14.5 Schnellladen 325
13.15 Alterungseffekte 325
13.15.1 Alterungseffekte allgemein 325
13.15.2 Alterung der Kathode 326
13.15.3 Alterung der Anode 327
13.15.4 Alterung im Elektrolyt 330
13.15.5 Korrosion des Separators 331
13.15.6 Sonstige Alterungseffekte 331
13.16 Einfluss kalendarischer und zyklischer Alterung und Modellierung 331
13.16.1 Alterung und die Notwendigkeit ihrer Modellierung 331
13.16.2 Modellierung und Simulation von Alterung 332
13.16.3 Quantitative Modellansätze zur Beschreibung von Alterung 335
13.17 Batteriemanagementsysteme und Batteriebetriebsstrategien 336
13.17.1 Generelles 336
13.17.2 Technische Realisierungen von Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Batterien 337
13.17.3 Balancing 339
13.17.4 Datenanalyse und Fehlererkennung 340
13.17.5 Integration von Kühlung und Heizung 341
13.18 Zustands- und Parameterbestimmung 341
13.18.1 Ladezustand 341
13.18.2 Kapazität, Innenwiderstand bzw. State of Health 342
13.19 Sicherheit 343
13.19.1 Allgemeine Sicherheitsaspekte 343
13.19.2 Missbrauchstests 344
13.20 State of Safety 346
13.20.1 Generelle Situation 346
13.20.2 Gefährdungs- und Sicherheitsstufen 346
13.20.3 Sicherheitsgrenzen 348
13.20.4 Definitionsversuche 349
13.21 Interne Kurzschlüsse 350
13.22 Thermal Runaway und thermische Propagation 351
13.22.1 Problematik und Feldsituation 351
13.22.2 Thermal runaway 353
13.22.3 Thermische Propagation 357
13.23 Sicherheitsengineering 361
13.24 Batterieprobleme 362
Literatur 365
Aufgaben 367
14 Andere Batterietechnologien 369
14.1 Alkalische Nickel-Batterien 370
14.1.1 Generelles 370
14.1.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 370
14.1.3 Zellaufbau 372
14.1.4 Batterieeigenschaften 374
14.1.5 Alterungsverhalten 374
14.1.6 Sicherheitsaspekte 376
14.1.7 Optimaler Betrieb 377
14.1.8 Ausblick 377
14.2 Zink-Luft-Batterien 378
14.2.1 Generelles 378
14.2.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 378
14.2.3 Zellaufbau 379
14.2.4 Eigenschaften 379
14.2.5 Alterungsverhalten 379
14.2.6 Optimaler Betrieb 380
14.2.7 Sicherheitseigenschaften 380
14.2.8 Ausblick 380
14.3 Redox-Flow-Batterien 380
14.3.1 Generelles und physikalisch-chemische Grundlagen 380
14.3.2 Ausblick 381
14.4 Hochtemperaturbatterien 382
14.4.1 Generelles 382
14.4.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 382
14.4.3 Zellaufbau 383
14.4.4 Eigenschaften 383
14.4.5 Alterungserscheinungen 383
14.4.6 Sicherheitseigenschaften 383
14.4.7 Optimaler Betrieb 383
14.4.8 Ausblick 384
14.5 Lithium-Feststoffelektrolyt-Batterien 384
14.5.1 Generelles 384
14.5.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 385
14.5.3 Ausblick 385
14.6 Lithium-Schwefel-Batterien 386
14.6.1 Generelles 386
14.6.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 387
14.6.3 Ausblick 387
14.7 Lithium-Luft-Batterien 388
14.7.1 Generelles 388
14.7.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 389
14.7.3 Aktueller Stand 389
14.8 Natrium-Luft-Batterien 390
14.8.1 Generelles 390
14.8.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 390
14.8.3 Ausblick 390
14.9 Ultrakondensatoren und Hybridbatterien 390
14.9.1 Generelles 390
14.9.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 391
14.9.3 Hybride Batteriekonzepte 392
Literatur 392
Aufgaben 393
15 Übersicht über Anwendungen 395
15.1 Allgemeine Bemerkungen 396
15.2 Leistungsverlauf 397
15.2.1 Gleichzeitige Verbindung von Batterien mit Ladegerät und Lasten 397
15.2.2 Zeitlich getrennte Verbindung von Batterien mit Ladegerät und Last 400
15.3 Ladezustand und Restkapazität 400
15.4 Wirkungsgrad 400
15.4.1 Wirkungsgrad bei zyklischer Belastung 401
15.4.2 Stand-by-Verluste 402
15.4.3 Relevanz des Wirkungsgrades der Batterie 402
15.5 Sicherheit und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 403
15.6 Unterteilung in Anwendungsbereiche 403
15.6.1 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 404
15.6.2 Batterien für die Elektromobilität 404
15.6.3 Batterien für Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 404
15.6.4 Stationäre Anwendungen 405
15.6.5 Batterien für portable Geräte (Werkzeuge, Kommunikationsendgeräte etc.) 405
Literatur 405
Aufgaben 406
16 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 407
16.1 Begriffsbestimmung 407
16.2 Anforderungen an die Batterie 408
16.3 Wahl der Batterietechnologie 412
16.4 Auslegung und Betrieb 414
16.5 Überwachung der Batterie 416
16.6 Sonstiges 417
Literatur 417
Aufgaben 417
17 Batterien für die Elektromobilität 419
17.1 Begriffsbestimmung 419
17.2 Anforderungen an die Batterie 421
17.3 Wahl der Batterietechnologie 424
17.4 Aufbau des Batteriesystems 425
17.5 Auslegung und Betrieb 426
17.6 Überwachung der Batterie 430
17.7 Sonstiges 431
Literatur 432
Aufgaben 433
18 Traktionsbatterien für den innerbetrieblichen Transport 435
18.1 Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 435
18.1.1 Anforderungen 436
18.1.2 Wahl der Batterietechnologie 436
18.1.3 Betrieb 438
18.1.4 Überwachung von Batterien 444
18.2 Kleintraktionsbatterien 444
18.2.1 Anforderungen 445
18.2.2 Wahl der Batterietechnologie 445
18.2.3 Betrieb 445
Literatur 445
19 Stationäre Anwendungen von Batterien 447
19.1 Bereitschaftsparallelbetrieb für Netzersatz- und USV-Anlagen 448
19.1.1 Begriffsklärung 448
19.1.2 Anforderungen 450
19.1.3 Wahl der Batterietechnologie 451
19.1.4 Auslegung 452
19.1.5 Betrieb 453
19.1.6 Überwachung der Batterie 454
19.1.7 Sonstige Informationen 460
19.2 Dieselstart bei Netzersatzanlagen 460
19.2.1 Anforderungen 461
19.2.2 Wahl der Batterietechnologie 462
19.2.3 Wartung und Fehlerdiagnose 463
19.3 Batterien für den zeitlichen Ausgleich von Stromnachfrage und -angebot 463
19.3.1 Anwendungsgruppen 463
19.3.2 Anforderungen 465
19.3.3 Wahl der Batterietechnologie 466
19.3.4 Auslegung 467
19.3.5 Betriebsstrategie 469
19.3.6 Überwachung 470
19.4 Batterien für die Stabilisierung des Energieversorgungssystems 470
19.4.1 Beispiele für große Batteriespeicher auf der Welt und Bewertung 470
19.4.2 Anforderungen 471
19.4.3 Wahl der Batterietechnologie 472
19.4.4 Sonstiges 472
Literatur 473
Aufgaben 473
20 Batterien für portable Anwendungen 477
20.1 Begriffsbestimmung 477
20.2 Anforderungen an die Batterie 478
20.3 Wahl der Batterietechnologie 479
20.4 Auslegung und Betrieb 480
20.5 Überwachung der Batterien 481
20.6 Sonstiges 481
Literatur 482
Aufgaben 482
Anhang A Übersicht über Begriffe 483
Anhang B Sicherer und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 495
B.1 Generelles 495
B.2 Elektrische Sicherheit 496
B.3 Brandschutz 499
B.4 Explosionsschutz 500
B.4.1 Explosionsschutz bei Blei-Säure-Batterien 501
B.4.2 Explosionsschutz bei Lithium-Ionen-Batterien 504
B.5 Bauliche Maßnahmen und Transport 504
B.6 Umweltbelastung und Entsorgung 505
Literatur 505
Anhang C Normenübersicht 507
Anhang D Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) 513
D.1 Begriffsübersicht 513
D.2 Ergebnisdarstellung 515
D.3 Bestimmung von Zellparametern mittels Impedanzspektroskopie 516
D.4 Qualität der Parameterbestimmung 522
Literatur 524
Anhang E Säureschichtung 525
Literatur 529
Stichwortverzeichnis 531
