Batterien
Grundlagen, Systeme, Anwendungen
1. Auflage Dezember 2022
XXVI, 542 Seiten, Softcover
226 Abbildungen
Praktikerbuch
ISBN:
978-3-527-33883-2
Wiley-VCH, Weinheim
InhaltProbekapitelIndexAufgaben und LösungenDozentenmaterial
Kurzbeschreibung
Didaktisch klar aufgebautes Fachbuch, das die Funktion und den Aufbau von Batterien für die wichtigsten Anwendungen von Batterien in der Zukunft erklärt: Mobilität und Energieversorgung. Großer Wert wird auf die Systemeinbindung von Batterien in technische Gesamtsysteme gelegt.
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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
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
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.
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.
