Die zentralen Thesen:
- Prävalenz und Funktionsweise: Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihres fehlenden Memory-Effekts häufig verwendet. Sie funktionieren durch die reversible Bewegung von Lithiumionen zwischen Kathode und Anode.
- Fehlerursachen: Häufige Gründe für einen Batterieausfall sind die Verdampfung des organischen Elektrolyten, das Schmelzen des Separators, die Freisetzung von Sauerstoff, unkontrolliertes Laden, schnelles Laden bei niedrigen Temperaturen, vollständige Entladung und Herstellungsfehler.
- Präventionsstrategien: Um eine lange Batterielebensdauer zu gewährleisten, sind hochwertige Zellen, ein effektives Batteriepaketdesign und ein zuverlässiges Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich.
- BMS-Bedeutung und Funktionen: Ein BMS ist für die Überwachung von Spannung, Temperatur und Zellbalance von entscheidender Bedeutung. Es sollte Sicherheitsstandards wie UL 1642 und IEC 62133 für Zellen sowie UL 991 oder UL 1998 für BMS-Software entsprechen.
Lithium-Ionen-Batterien sind überall um uns herum und versorgen unsere Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeuge und Speichersysteme für erneuerbare Energien mit Strom.
In diesem Beitrag befassen wir uns mit den Grundlagen dieser Batterien, einschließlich ihrer Funktionsweise, ihren Vorteilen, häufigen Fehlerursachen und Präventionsmethoden.
Warum Lithium-Ionen-Batterien verwenden?
Lithium-Ionen-Batterien erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte großer Beliebtheit. Sie sind Blei-Säure-, Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien sowohl hinsichtlich der volumen- als auch der massebasierten Energiedichte überlegen.
Der Übergang von Nickel-Cadmium- zu Nickel-Metallhydrid-Batterien hat zur weit verbreiteten Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien geführt. Diese Akkus bieten nicht nur die höchste Energiedichte, sondern haben auch keinen Memory-Effekt. Dies bedeutet, dass ihre Kapazität durch eine vollständige oder teilweise Ladung oder Entladung nicht beeinträchtigt wird.
Außerdem weisen Lithium-Ionen-Batterien eine geringe Toxizität auf. Vor allem die Lithium-Eisenphosphat-BatterienSie enthalten keine Schwermetalle wie Kobalt. Außerdem haben sie eine längere Lebensdauer als alternative Chemikalien und gewährleisten so Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen.
Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien?
Um die Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zu verstehen, ist es wichtig zu verstehen, wie sie funktionieren. Wie jede elektrochemische Zelle besteht eine Lithium-Ionen-Batterie aus einer Kathode und einer Anode. Die Kathode enthält normalerweise ein Lithiumsalz wie Lithiumoxid oder Lithiumphosphat, während die Anode typischerweise aus Graphit besteht.
Wenn Sie eine Lithium-Ionen-Batterie laden, wandern die Lithiumionen (dargestellt durch schwarze Punkte) vom Lithiumoxidsalz zur Graphitanode. Bei dieser als Interkalation bezeichneten Bewegung kommt es nicht zu einer direkten Wechselwirkung zwischen den Ionen und den Elektronen. Stattdessen fließen die Elektronen von der Kathode zur Anode, wo sie mit dem Kohlenstoff im Graphit reagieren.
Es ist erwähnenswert, dass Lithium-Ionen-Batterien im Gegensatz zu Lithium-Metall-Batterien, die nicht wiederaufladbar sind, die reversible Einlagerung von Lithium-Ionen ermöglichen. Diese bahnbrechende Innovation brachte John Goodenough und Stan Winningham den Nobelpreis für Chemie ein. Die Lithiumionen diffundieren durch eine organische Elektrolytflüssigkeit und ermöglichen so ihre Hin- und Herbewegung zwischen Anode und Kathode.
Im folgenden Teil werden wir uns eingehender mit dem organischen Elektrolyten und seiner Funktion für den reibungslosen Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien befassen.
LCO, LMO, NCA
Beginnen wir mit der Diskussion der Kathode und der üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Lithiumsalze. Das erste, das wir untersuchen werden, ist Lithiumkobaltoxid, das in Laptops, Elektrowerkzeugen und Mobiltelefonen weit verbreitet ist. Beim Entladen der Batterie trennt sich das Lithium vom Lithiumkobaltoxid und setzt ein Elektron frei, das durch das Ladegerät zur Anode wandert. Bei diesem Verfahren verbleibt Kobaltoxid auf der Kathode.
Ein weiteres als Kathodenmaterial verwendetes Salz ist Lithiummanganoxid. Dieser Kathodentyp wurde im Nissan Leaf verwendet und ist auch in verschiedenen Tesla-Modellen wie dem Model S, Model 3 und Model X zu finden.
Schließlich haben wir Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid, das die höchste Energiekapazität pro Masse und Volumen liefert.
Ursachen für den Ausfall von Li-Ionen-Batterien
Um Ausfälle von Li-Ionen-Batterien zu verhindern, ist es wichtig, sich der Faktoren bewusst zu sein, die zu solchen Problemen führen können. Schauen wir uns einige häufige Ursachen genauer an.
Verdampfung organischer Elektrolyte
Wenn ein Li-Ionen-Akku zu heiß wird, kann der organische Elektrolyt im Inneren verdampfen. Durch diese Verdunstung erhöhen sich Druck und Temperatur in der Zelle. Infolgedessen kann es zu einer Ausbeulung der Batterie kommen, was auf das Vorliegen gefährlicher Bedingungen hindeutet.
Schmelzen des Separators
Li-Ionen-Batterien verwenden typischerweise einen Separator aus Polyethylen oder Polypropylen. Bei Temperaturen um die 80 Grad Celsius (170-180 Grad Fahrenheit) kann dieser Separator schmelzen. Durch das Schmelzen des Separators kommen Anode und Kathode in Kontakt, was zu einem inneren Kurzschluss und der Entstehung zusätzlicher Wärme führt.
Sauerstofffreisetzung und unkontrollierte Reaktionen
Wenn eine Li-Ionen-Batterie hohe Temperaturen erreicht, kann der in Kathodenmaterialien wie Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid oder Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid vorhandene Sauerstoff freigesetzt werden. Dieser freigesetzte Sauerstoff kann mit dem verdampften Elektrolyten reagieren und unkontrollierte chemische Reaktionen hervorrufen. Der andauernde Kurzschluss verschlimmert die Situation zusätzlich und macht eine schnelle Lösung erforderlich.
Unkontrollierte Ladung
Überladen oder unkontrolliertes Laden der Batterie kann zur Bildung von Lithiummetall auf der Anode führen. Überschüssige Elektronen verbinden sich mit Lithiumionen und bilden Dendriten, die durch den Elektrolyten in die Kathode hineinwachsen. Diese Dendriten können interne Kurzschlüsse erzeugen, was ein ernstes Risiko darstellt.
Schnelles Laden und niedrige Temperaturen
Das Laden der Batterie mit sehr hohen Strömen oder niedrigen Temperaturen kann die Bewegung von Lithiumionen in die Anode behindern. Infolgedessen kann sich ein Überschuss an Elektronen auf der Anode ansammeln, was zu einer Lithiummetallisierung und möglichen internen Kurzschlüssen führen kann.
Vollständige Entladung
Vermeiden Sie eine vollständige Entladung einer Lithium-Ionen-Zelle. Eine Tiefentladung kann dazu führen, dass sich der Kupferkollektor an der Anode im Elektrolyten auflöst. Beim Aufladen kann es zu einer Neubildung des Kupfers kommen, allerdings nicht in seiner ursprünglichen folienartigen Struktur. Dies kann zu einer Verkupferung führen und einen internen Kurzschluss zur Folge haben.
Schlechte Zellproduktion und Kontamination
Ausfälle von Li-Ionen-Batterien können auch auf Produktionsfehler oder das Vorhandensein von Verunreinigungen während der Herstellung zurückzuführen sein. Diese Verunreinigungen können Verunreinigungen oder Partikel in die Batterie einbringen und zu internen Kurzschlüssen oder unerwünschten Reaktionen führen, die den Kapazitätsabbau beschleunigen.
Indem wir diese Ursachen für den Ausfall von Li-Ionen-Batterien verstehen und angehen, können wir daran arbeiten, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Batterie in verschiedenen Anwendungen zu verbessern.
Verhindern von Batterieausfällen
Die Vermeidung von Problemen in der Batterieindustrie ist für ihr weiteres Wachstum und ihren Erfolg von entscheidender Bedeutung. Es gibt drei wichtige Schritte, die ergriffen werden können, um das Auftreten von Problemen effektiv zu minimieren.
In erster Linie ist die Sicherstellung der Qualität der Batteriezellen von größter Bedeutung. Mit der rasanten Expansion der Branche sind insbesondere in China zahlreiche Zellfertigungsanlagen entstanden. Es ist von entscheidender Bedeutung, qualitativ hochwertige Zellen namhafter Hersteller sorgfältig auszuwählen. Einige Einrichtungen verfügen über erstklassige automatisierte High-Tech-Prozesse, während andere möglicherweise nicht die gleichen Standards erfüllen. Die Wahl der Zellqualität wirkt sich direkt auf die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit aus.
Auch das Design des Akkupacks spielt eine entscheidende Rolle bei der Unfallvermeidung. Batteriepacks bestehen aus mehreren Zellen, die in Reihe und parallel angeordnet sind und die gewünschte Spannungs- und Stromkapazität erzeugen. Bei der Gestaltung eines Rucksacks ist es wichtig, eine effektive Wärmeableitung im Falle unvorhergesehener Ereignisse zu berücksichtigen. Für die Aufrechterhaltung der Sicherheit ist es wichtig zu verstehen, wie die Packung auf potenzielle Zellprobleme reagiert. Wenn das System außerdem die Lieferung erheblicher Strommengen erfordert, ist die Gewährleistung einer effizienten Verteilung durch zuverlässige Kontakte und Leiterplatten von größter Bedeutung.
Im Mittelpunkt steht dabei das Batteriemanagementsystem (BMS). Dieses Gerät dient als Wächter der Batterie und überwacht kontinuierlich Spannungen, Ströme und Temperaturen, um sicherzustellen, dass die Zellen innerhalb sicherer Grenzen arbeiten. In jedem Lithium-Ionen-Akkupack ist das Vorhandensein eines integrierten oder externen BMS für den Schutz der Zellen von entscheidender Bedeutung. Das BMS sorgt nicht nur für Sicherheit, sondern erhöht auch die Langlebigkeit der Batterien. Angesichts der Tatsache, dass Lithium-Ionen-Batterien die Lebensdauer herkömmlicher Speichergeräte um ein Vielfaches übertreffen können, ist es unerlässlich, ihrem Schutz für den Langzeitgebrauch Vorrang einzuräumen.
Um Problemen in der Batterieindustrie vorzubeugen, müssen sorgfältig auf die Zellqualität, das Packdesign und die Implementierung eines zuverlässigen Batteriemanagementsystems geachtet werden. Diese kollektiven Maßnahmen tragen zur allgemeinen Sicherheit und Haltbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien bei und ermöglichen der Branche ein Gedeihen bei gleichzeitiger Minimierung potenzieller Risiken.
Bedeutung von Batteriemanagementsystemen
Das Batteriemanagementsystem (BMS) spielt eine entscheidende Rolle bei der Überwachung und Steuerung der Spannungen, Ströme und Temperaturen einer Batterie. Seine Hauptfunktion besteht darin, sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb sicherer Grenzen arbeitet. Wenn das BMS Anomalien erkennt oder die Zellengrenzen überschreitet, kann es den Lade- oder Entladevorgang unterbrechen.
Vereinfacht ausgedrückt überwacht das BMS die Vitalfunktionen der Batterie. Es überprüft ständig die Spannungspegel, den Stromfluss und die Temperatur, um sicherzustellen, dass alles ordnungsgemäß funktioniert. Wenn es Probleme wie übermäßige Hitze oder unregelmäßige Spannung erkennt, kann es Maßnahmen zum Schutz der Batterie ergreifen.
Eine der Hauptaufgaben des BMS besteht darin, ein Überladen oder Tiefentladen der Batterie zu verhindern. Überladung kann zu Schäden an den Batteriezellen führen und deren Lebensdauer verkürzen, während Tiefentladung zu Leistungseinbußen führen kann. Das BMS sorgt dafür, dass der Akku die richtige Menge an Ladung erhält und verhindert, dass er zu voll oder zu leer wird.
Betrachten Sie das BMS als den Wächter der Batterie. Es ist immer auf der Hut, bereit einzugreifen und die Batterie vor möglichen Schäden zu schützen. Durch die Überwachung und Regulierung der Batterieparameter trägt das BMS dazu bei, die Gesamtlebensdauer zu verlängern und eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten.
Welche Funktionen sollte ein BMS bieten?
Wir möchten meine Meinung zu den Mindestanforderungen an ein BMS mitteilen, um den Schutz und die Langlebigkeit des Akkupacks zu gewährleisten.
Erstens ist der Spannungsschutz unerlässlich. Es ist wichtig, ein Überladen und Tiefentladen des Akkus zu verhindern. Wir müssen einen sicheren Spannungsbereich einhalten, um Schäden an den Zellen zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu maximieren. Übrigens sollten wir auch darüber nachdenken, zu verhindern, dass das Paket Ströme liefert, die seine Kapazität überschreiten, und zwar nicht nur auf Zellebene, sondern für das gesamte Paket.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Temperaturschutz. Wenn die Temperaturen zu stark ansteigen, kann dies zu potenziellen Risiken und Ausfällen führen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, über Mechanismen zur Überwachung und Kontrolle hoher Temperaturen zu verfügen. Ebenso ist es wichtig, über einen Ladeschutz bei niedrigen Temperaturen zu verfügen, um Probleme wie eine Lithiummetallisierung auf der Anode aufgrund übermäßig kalter Bedingungen zu verhindern.
Darüber hinaus ist die Möglichkeit, die Zellen innerhalb einer Reihe auszubalancieren, eine nützliche, wenn auch nicht unbedingt notwendige Funktion. Parallel geschaltete Zellen teilen sich natürlicherweise Strom und Spannung, in Reihe geschaltete Zellen jedoch nicht. Um einen einheitlichen Ladezustand (SOC) zwischen den Zellen aufrechtzuerhalten, ist ein Ausgleichsmechanismus oder eine zusätzliche Fähigkeit zur Stromaufteilung erforderlich.
Obwohl wir keine spezifischen Standards für Tests durch Dritte besprochen haben, ist es erwähnenswert, dass es bestehende Standards gibt, die Testlabore von Drittanbietern zur Konformitätsbewertung verwenden können.
Standards
Es kommt häufig zu Verwirrung hinsichtlich der unterschiedlichen Auflistungen von Zellen, Akkupacks und Batteriemanagementsystemen. Lassen Sie uns die Dinge ein wenig klären. Lithium-Ionen-Zellen können gemäß den Standards UL 1642 oder IEC 62133 getestet und gelistet werden.
Akkupacks hingegen haben ihre eigenen Auflistungen. Sie können entweder unter UL 2050 oder UL 1973 gelistet sein, wobei beide die Einhaltung von UL 1642 als Voraussetzung erfordern. Es ist wichtig zu beachten, dass UL 1642 selbst keine Packliste, sondern eine Voraussetzung für diese Packlisten ist.
In einem Versuch, eine Auflistung zu erstellen, die sowohl für Zellen als auch für Packs gilt, hat die IEC IEC 62133 eingeführt. Es ist jedoch erwähnenswert, dass Batteriemanagementsysteme (BMS) auch über eigene separate Auflistungen verfügen.
Für Hardware kann das BMS nach UL 991 gelistet sein, während es für Software nach UL 1998 oder IEC 60730-1 gelistet sein kann. Es ist wichtig zu beachten, dass UL 991 und UL 1998 keine Voraussetzungen für die Zulassung nach UL 2054 oder UL 1973 sind.
Wenn Ihr BMS jedoch nicht diesen Standards entspricht, müssen Sie Tests unter Fehlerbedingungen durchführen, um sicherzustellen, dass selbst im Falle eines Ausfalls keine gefährliche Situation entsteht.
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass dies keine erschöpfende Liste von Standards ist, aber ich wollte ihre Existenz hervorheben und etwas Klarstellung geben.
Abschluss
Indem wir das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien verstehen und Faktoren wie Zellqualität, Packdesign und ein robustes Batteriemanagementsystem berücksichtigen, können wir die Batteriesicherheit und -zuverlässigkeit verbessern. Die Einhaltung relevanter Standards und die Durchführung gründlicher Tests tragen zusätzlich zur sicheren und effizienten Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien bei.
Angesichts der kontinuierlichen Fortschritte in der Technologie und des Fokus auf Sicherheit werden Lithium-Ionen-Batterien weiterhin eine wichtige Rolle in unserer elektrifizierten Welt spielen, indem sie verschiedene Anwendungen mit Strom versorgen und gleichzeitig Risiken mindern.
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