Batterien
Grundlagen, Systeme, Anwendungen
1. Auflage Dezember 2022
XXVI, 542 Seiten, Softcover
226 Abbildungen
Praktikerbuch
ISBN:
978-3-527-33883-2
Wiley-VCH, Weinheim
Kurzbeschreibung
Didaktisch klar aufgebautes Fachbuch zur Batterieentwicklung für die Elektromobilität bietet einen Einstieg in die Grundlagen von Batterien und vertieft die wichtigsten Batteriesysteme für die Autos von morgen.
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Weitere Versionen
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
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
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.
