Batterien/Akkus: Welche Arten gibt es?

Da sich die Welt zunehmend auf erneuerbare Energiequellen und Netzspeicherung umsteigt, ist es von Vorteil, die verschiedenen verfügbaren Batterie-/Akkutechnologien zu kennen. Jeder Batterie-/Akkutyp hat einzigartige Eigenschaften, die ihn für bestimmte Anwendungen geeignet machen, von der Netzstabilisierung bis hin zu Notstromsystemen. In diesem Beitrag befassen wir uns mit den wichtigsten Arten von stationären Batterien bzw. Akkus, ihre chemische Zusammensetzung, typische Anwendungen sowie die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien. 

Bevor wir uns jedoch die einzelnen Batterie-/Akkutypen ansehen, eine allgemeine Anmerkung. Alle Batterien/Akkus sind elektrochemische Geräte und unterliegen als solche den Gesetzen, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen regeln. Insbesondere werden alle Batterien/Akkus von der Temperatur beeinflusst. Hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer der Batterie/des Akkus. Niedrige Temperaturen hingegen verringern die Kapazität und die Leistung. Batterien oder Akkus, die für den Betrieb unter ungewöhnlich heißen oder kalten Bedingungen funktionieren sollen, müssen daher mit besonderer Sorgfalt ausgewählt und dimensioniert werden.

 

Bleiakkus

Bleiakkus gehören zu den ältesten und bewährtesten Akkutechnologien. Sie werden seit mehr als einem Jahrhundert in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Automobilanwendungen über unterbrechungsfreie Stromversorgungen bis hin zu netzfernen Energiespeichern.

Chemische Zusammensetzung

Bleiakkus bestehen aus Bleidioxid(PbO2) am positiven Pol und aus Bleischwamm (Pb) am negativen Pol in einem Elektrolyten aus Schwefelsäure (H2SO4) liegen.

Arten

1. Geschlossener Bleiakku (VLA): Auch geflutete Bleiakkus; müssen regelmäßig mit Wasser nachgefüllt werden.
2. Verschlossener Bleiakku (VRLA): Akku in verschlossener Bauform, einschließlich der Typen mit absorbierender Glasmatte und Gel. Sie müssen regelmäßig geprüft werden, da sie im Niedrig-Elektrolyt-Betrieb arbeiten.

Typische Anwendungen

• Notstromversorgung für Telekommunikations- und Rechenzentren
• Netzunabhängige und netzgekoppelte erneuerbare Energiesysteme
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
• Ladestationen für Elektrofahrzeuge
• Starten von Benzin- und Dieselfahrzeugen

Vorteile

• Bewährte Technologie mit langer Geschichte: Es gibt viel Wissen und Erfahrung in der Anwendung und Wartung.
• Niedrige Anschaffungskosten: Bleiakkus sind oft die wirtschaftlichste Wahl für die kurzfristige Energiespeicherung.
• Hohe Recyclingfähigkeit: Bleiakkumulatoren sind zu fast 100 % recyclingfähig und damit eine umweltfreundliche Wahl.
• Zuverlässig und tolerant gegenüber Überladung: Bei ordnungsgemäßer Handhabung können Bleiakkus gelegentlich ohne größere Schäden überladen werden.

Nachteile

• Geringere Energiedichte im Vergleich zu neueren Technologien: Sie brauchen mehr Platz, um die gleiche Energiemenge zu speichern wie fortschrittlichere Batterie-/Akkutypen .
• Kürzere Lebensdauer, insbesondere bei Tiefentladung: Regelmäßige Tiefentladung kann die Lebensdauer von Bleiakkus erheblich verkürzen.

 

Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Effizienz haben Lithium-Ionen-Batterien die Energiespeicherung revolutioniert. Sie erfreuen sich zunehmender Beliebtheit bei der Speicherung von Energie im Netzbereich, in Elektrofahrzeugen und in tragbarer Elektronik.

Chemische Zusammensetzung

Lithium-Ionen-Batterien verwenden eine Lithiumverbindung als positive Elektrode und in der Regel Graphit als negative Elektrode. Der Elektrolyt ist ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel.

Arten

1. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid: Bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Energiedichte und Leistung.
2. Lithium-Eisenphosphat: Bekannt für seine Sicherheit und lange Lebensdauer.
3. Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid: Hohe Energiedichte.
4. Lithium-Manganoxid: Bietet gute thermische Stabilität und Sicherheit.

Typische Anwendungen

• Energiespeicherung im Netzbereich und Netzstabilisierung
• Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge
• Energiespeichersysteme für Wohn- und Gewerbegebäude
• Tragbare Elektronik und Elektrowerkzeuge

Vorteile

• Hohe Energiedichte: Dies ermöglicht kompaktere und leichtere Energiespeicherlösungen, die für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge entscheidend sind.
• Lange Zykluslebensdauer: Viele Lithium-Ionen-Batterien können Tausende von Lade- und Entladezyklen überstehen, was sie langfristig kostengünstig macht.
• Geringere Selbstentladungsrate: Diese Batterien/Akkus können ihre Ladung über einen längeren Zeitraum halten, wenn sie nicht verwendet werden, und sich daher e für intermittierende Anwendungen geeignet sind.
• Kein Memory-Effekt: Im Gegensatz zu einigen älteren Batterietechnologien müssen Lithium-Ionen-Batterien vor dem Aufladen nicht vollständig entladen werden.
• Schnellladefähigkeit: Dies ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die schnelle Ladezeiten erfordern, wie z. B. Elektrofahrzeuge.

Nachteile

• Höhere Anschaffungskosten: Trotz sinkender Preise sind Lithium-Ionen-Batterien in der Anschaffung immer noch teurer als Bleiakkus.
• Mögliche Sicherheitsprobleme (thermische Überlastung): In seltenen Fällen können Lithium-Ionen-Batterien überhitzen und sich entzünden.
• Erfordern ausgeklügelte Batteriemanagementsysteme: Komplexe Kontrollsysteme sind erforderlich, um Überladung, Überentladung und Überhitzung zu vermeiden und die Zellen auszugleichen.
• Leistungsabfall bei hohen Temperaturen: Hohe Temperaturen können den Kapazitätsverlust beschleunigen und die Gesamtlebensdauer der Batterie verkürzen.

 

Durchflussbatterien

Durchflussbatterien sind ein einzigartiger Batterietyp, bei dem die Energie in einem flüssigen Elektrolyt gespeichert wird. Sie bieten den Vorteil der Entkopplung von Leistung und Energiekapazität, was sie für groß angelegte Energiespeicheranwendungen hoch skalierbar macht.

Chemische Zusammensetzung

Der häufigste Typ ist Vanadium-Redox-Akkumulator (Vanadium Redox Flow Battery, VRFB), auch Vanadium-Redox-Flow-Batterie genannt, bei der Vanadium-Ionen in verschiedenen Oxidationsstadien verwendet werden. Weitere chemische Komponenten sind Zink-Brom und Eisen-Chrom.

Typische Anwendungen

• Groß angelegter Energiespeicherung
• Integration von erneuerbaren Energien
• Mikronetze und netzferne Systeme
• Industrielles und kommerzielles Energiemanagement

Vorteile

• Lange Zykluslebensdauer: Durchflussbatterien können in der Regel Tausende von Lade-Entladezyklen ohne signifikante Degradation überstehen.
• Sie können vollständig entladen werden, ohne Schaden zu nehmen: Im Gegensatz zu vielen anderen Batterietypen werden Durchflussbatterien bei vollständiger Entladung nicht beschädigt.
• Einfache Skalierbarkeit durch Erhöhung der Behältergröße: Die Energiekapazität kann einfach durch den Einsatz größerer Elektrolytbehälter erhöht werden, ohne dass die Energiekomponenten ausgetauscht werden müssen.
• Geringere Brandgefahr als bei Lithium-Ionen-Batterien. Der in den meisten Durchflussbatterien verwendete wässrige Elektrolyt ist nicht entflammbar, was die Sicherheit erhöht.

Nachteile

• Geringere Energiedichte: Durchflussbatterien brauchen mehr Platz als Technologien wie Lithium-Ionen-Batterien, um die gleiche Energiemenge zu speichern.
• Komplexes System: Der Bedarf an großen Elektrolytbehältern macht Durchflussbatterien mechanisch komplexer als Festkörperbatterien.
• Höhere Anschaffungskosten: Die Komplexität von Durchflussbatteriesystemen führt häufig zu höheren Anschaffungskosten, die jedoch durch die längere Lebensdauer ausgeglichen werden können.
• Möglichkeit des Austretens von Elektrolyten: Eine ordnungsgemäße Eindämmung und Wartung sind entscheidend, um eine Kontamination der Umwelt durch austretenden Elektrolyten zu verhindern.

 

Natrium-Ionen-Batterien

Natrium-Ionen-Batterien sind eine neue Technologie, die eine potenziell nachhaltigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellt. Sie verwenden reichlich kostengünstige Materialien und könnten zukünftige Energiespeicheranwendungen erheblich verbessern.

Chemische Zusammensetzung

Ähnlich wie bei Lithium-Ionen-Batterien, verwendet jedoch Natrium-Ionen anstelle von Lithium-Ionen für die Ladungsübertragung. Die Kathode besteht in der Regel aus einer Metalloxidschicht, die Anode häufig aus Hartkohlenstoff.

Typische Anwendungen

• Energiespeicher im Netzbereich
• Energiespeicher für Wohn- und Gewerbegebäude
• Elektrofahrzeuge
• Tragbare Elektronik (in Entwicklung)

Vorteile

• Reichlichere und billigere Rohstoffe: Natrium ist reichlicher vorhanden als Lithium, was potenziell zu niedrigeren Kosten und einer nachhaltigeren Produktion führen kann.
• Potenziell umweltfreundlicher: Die in Natrium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien sind im Allgemeinen weniger giftig und leichter zu recyceln als die in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien.
• Kann für einen sichereren Transport vollständig entladen werden: Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien können Natrium-Ionen-Batterien vollständig entladen werden, was den Transport und die Lagerlogistik vereinfacht.

Nachteile

• Geringere Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterie: Natrium-Ionen-Batterien sind möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet, bei denen Gewicht und Größe entscheidende Faktoren sind.
• Die Technologie befindet sich noch in einem frühen Stadium der Kommerzialisierung: Als neuere Technologie müssen Natrium-Ionen-Batterien ihre langfristige Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit in der Praxis erst noch unter Beweis stellen.
• Begrenzte Erfolgsbilanz in groß angelegten Anwendungen: Da es keine umfangreichen Felddaten vorliegen, ist es schwierig, die langfristige Leistung und potenzielle Probleme vorherzusagen.

 

Akkus auf Nickelbasis

Nickel-Basis-Akkus sind bei Neuinstallationen weniger verbreitet, werden aber dennoch in einigen stationären Anwendungen zum Einsatz. Sie bieten eine zuverlässige Leistung und sind für raue Umgebungsbedingungen geeignet.

Chemische Zusammensetzung

Nickel-Batterien verwenden Nickeloxydhydroxid (NiOOH) als positive Elektrode. Die negative Elektrode und der Elektrolyt unterscheiden sich je nach Typ Beim Entladen wird die Nickel-Oxyhydroxid-Elektrode zu Nickelhydroxid reduziert, während die negative Elektrode oxidiert. Dieser Vorgang kehrt beim Laden um:

Typen

1. Nickel-Cadmium (NiCd): Bekannt für seine Langlebigkeit.
2. Nickel-Metall-Hydrid (NiMH): Bietet eine höhere Energiedichte als NiCd ohne den Einsatz von giftigem Cadmium.

Typische Anwendungen

• Industrielle Notstromversorgung
• Eisenbahn-Signaltechnik
• Flugzeugstarts und Notstromversorgung
• Telekommunikation

Vorteile

• Robust und langlebig: Auf Nickel basierte Akkus können raue Bedingungen aushalten, einschließlich physischer Belastung.
• Hohe Zykluslebensdauer: Wenn auf Nickel basierte Akkus richtig gewartet werden, können sie über viele Jahre und Tausende von Zyklen lang funktionieren.

Nachteile

• Geringere Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien: Dadurch weniger geeignet für Anwendungen, bei denen Platz und Gewicht eine wichtige Rolle spielen.
• Memory-Effekt (insbesondere bei NiCd): Teilentladungszyklen können zu einem Verlust der nutzbaren Kapazität führen und erfordern regelmäßige Vollentladungszyklen.
• Umweltverträglichkeit des in NiCd-Akkus enthaltenen Cadmiums: Die Toxizität von Cadmium hat in vielen Regionen zu Einschränkungen bei der Verwendung von NiCd-Akkus geführt.

 

Die Bedeutung ordnungsgemäßer Prüfungen

Jede dieser Batterie-/Akkutechnologien erfordert ein spezielles Prüfverfahren, um optimale Leistung, Sicherheit und Lebensdauer zu gewährleisten. Prüfverfahren und -häufigkeit unterscheiden sich erheblich zwischen den verschiedenen Batterie-/Akkutypen erheblich. Zum Beispiel:

• Bleiakkus erfordern häufig regelmäßige Messungen des spezifischen Gewichts, Kapazitätsprüfungen und ohmsche Prüfungen, um ihren Zustand zu beurteilen.
• Lithium-Ionen-Batterien profitieren von einer hochentwickelten Zustandsüberwachung und Impedanzprüfung. Dadurch können frühe Anzeichen einer Verschlechterung erkannt werden.
• Bei Durchflussbatterien kann zusätzlich zu den elektrischen Standardtests eine Analyse der Elektrolytzusammensetzung erforderlich sein, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Eine ordnungsgemäße Prüfung ist nicht nur für die Aufrechterhaltung der Akkuleistung wichtig, sondern auch für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Energiespeichersystemen. Regelmäßige Prüfungen tragen dazu bei, potenzielle Probleme zu erkennen, bevor sie zu Ausfällen führen, die Batteriemanagementstrategien zu optimieren und die Lebensdauer des Energiespeichersystems zu verlängern.

 

Fazit

Es gibt viele verschiedene Arten von stationären Batterien/Akkus, und jede Technologie hat ihre eignen Vorteile und Herausforderungen. Mit der Weiterentwicklung unserer Energiespeicherkapazitäten werden wir wahrscheinlich weitere Innovationen und Verbesserungen in der Batterie-/Akkutechnologie erleben.

Die Kenntnis der Eigenschaften der verschiedenen Batterietypen zu kennen, ist entscheidend für die Auswahl der richtigen Technologie für bestimmte Anwendungen. Ebenso wichtig ist die Einführung geeigneter Prüf- und Wartungsprogramme, um sicherstellen, dass diese Batterien während ihrer gesamten Lebensdauer optimal funktionieren.

In unserem nächsten Beitrag beschäftigen wir uns mit den Feinheiten der Prüfung verschiedener Batterie-/Akkutechnologien und zeigen, wie die Lösungen von Megger dazu beitragen können, die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Energiespeichersystemen sicherzustellen.

 

 

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