Dieser TechLetter befasst sich mit dem Wärmemanagement von Batterien. Die Leistung und Lebensdauer von Batterien werden in hohem Maße von der Temperatur der Zellen beeinflusst. Daher ist es wichtig, die Zelltemperatur zu kontrollieren, um eine gute Produktivität elektrischer Geräte und eine gute Rentabilität durch die Steuerung der Batterielebensdauer sicherzustellen.
Wie wichtig ist das Wärmemanagement von Batterien in Schwerlastanwendungen?
Ein schlechtes Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien führt zu folgenden Problemen:
- Kapazitätsverlust im Winter (20 bis 60 %)
- Überhitzung verhindert das Laden des Akkus, insbesondere im Sommer
- Schnellladung aufgrund von Überhitzung des Akkus vorzeitig beendet
- Keine Schnellladefunktion ohne Beeinträchtigung der Batterielebensdauer
- Große Unterschiede in den Zelltemperaturen innerhalb eines Akkupacks, was zu einer beschleunigten Alterung und damit zu einem vorzeitigen Kapazitätsverlust führt.
- Überhitzung führt zur Deaktivierung des Akkus, insbesondere bei hoher Leistungsaufnahme.
- Keine Möglichkeit zum Laden bei niedrigen Temperaturen
- Deutlich verkürzte Batterielebensdauer.
Wenn Sie solche Probleme erlebt haben, lesen Sie die folgenden Zeilen sorgfältig durch.
Wie speichert eine Lithium-Ionen-Zelle Energie?
Das Prinzip einer Lithium-Ionen-Zelle besteht darin, dass sich die Lithium-Ionen durch Diffusion in einem flüssigen Elektrolyten über einen elektrisch isolierenden Separator von einer Elektrode zur anderen bewegen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Beim Laden der Zelle werden die Ionen in das aktive Material der negativen Elektrode (Anode) gedrückt; beim Entladen der Zelle werden die Ionen in das aktive Material der positiven Elektrode (Kathode) gedrückt.
Die Molekülstruktur der aktiven Materialien an beiden Elektroden ermöglicht es, Li-Ionen in freie Stellen des Materials einzufügen. Wie Sie sehen können, sind die aktiven Materialien (Graphit undLiM02 auf dem obigen Bild) auf metallische Elektroden aufgebracht (Kupfer für Graphit und Aluminium fürLiMO2). Durch die Erhöhung der Dicke der aktiven Materialien erhöht sich die Anzahl der Stellen, an denen Lithiumionen gespeichert werden können, bei gleichem Volumen der anderen Materialien (Elektroden, Separator…). Dies führt zu einer höheren Energiedichte der Li-Ionen-Zelle. Da die Elektroden dicker sind, müssen die Lithium-Ionen eine größere Strecke durch das Material zurücklegen, was den inneren elektrischen Widerstand der Zelle erhöht. Dünnere Elektroden ermöglichen hingegen schnellere Lade- und Entladeraten, schränken jedoch die Energiedichte ein, was zu einer Zelle mit hoher Leistung führt.
Einfluss niedriger Temperaturen auf die Batterieleistung
Einige von Ihnen haben vielleicht bemerkt, dass ihr Smartphone unter sehr kalten Bedingungen (Skitag, strenger Winter…) schnell an Energie verliert. Tatsächlich verwenden Li-Ionen-Zellen mit hoher Energie sehr dicke Elektroden, und Lithium-Ionen haben einen erschwerten Zugang zu den freien Einlagerungsstellen, die sich tief im Inneren der Elektroden befinden. Der Zugang zu diesen Stellen wird bei niedrigen Temperaturen aufgrund des erhöhten Widerstands im zähflüssigeren Elektrolyten und der erschwerten Diffusion in die weniger flexiblen aktiven Materialien unmöglich. Die folgende Abbildung zeigt den Weg, den die Ionen zurücklegen müssen, um tiefere Einlagerungsstellen in den aktiven Materialien zu erreichen.
Die Lithium-Ionen-Zellen weisen daher bei niedrigen Temperaturen eine deutlich geringere Kapazität auf, was leicht gemessen werden kann. Dieses Phänomen verstärkt sich bei Zellen mit hoher Energie und den dicksten Elektroden. Typische Werte sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
| Zelle | Hohe Energie | Langes Leben | Leistung |
| Kapazität bei 25 °C | 100 | 80 | 33 |
| Kapazität bei -10 °C | 60 | 64 | 30 |
Aufgrund des erhöhten Innenwiderstands der negativen Elektrode kann das Laden bei niedrigen Temperaturen (ca. 5 °C oder weniger) zu einer Lithiumbeschichtung der negativen Elektrode führen. Die Lithiumbeschichtung altert die Zelle, indem sie Lithium-Ionen verbraucht, die dann nicht mehr zur Speicherung von Energie zur Verfügung stehen. Vor allem aber kann die Lithiumabscheidung zur Bildung von Dendriten führen und einen internen Kurzschluss der Zelle verursachen (weitere Informationen finden Sie in diesem Elsevier-Whitepaper von Xianke Lin et al.). Der interne Kurzschluss kann im besten Fall zu einer vorzeitigen Lebensdauer der Zelle und im schlimmsten Fall zu einer thermischen Instabilität führen, die einen Batteriebrand und/oder eine Explosion zur Folge hat.
Einfluss hoher Temperaturen auf die Batterieleistung
Wie in unserem vorherigen TechLetter zum Thema Alterung von Lithium-Ionen-Batterien erläutert, zeigen zahlreiche Studien, dass die Alterung jeder Art von Li-Ionen-Batterie bei einer Nutzung bei 25 °C und derselben Nutzung bei 45 °C um das 2- bis 3-fache geringer ist (Beispiel: Elsevier – Transportation Research Part B 103 (2017) 158–187 oder die Doktorarbeit von Arnaud Devie http://www.theses.fr/2012LYO10231 ).
Aus Sicherheitsgründen dürfen Li-Ionen-Batterien außerdem nicht über einer bestimmten Höchsttemperatur verwendet werden, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern (weitere Informationen finden Sie im TechLetter zur Batteriesicherheit ). Aus diesem Grund dürfen die meisten Li-Ionen-Zellen nicht über 45 °C geladen und nicht über 60 °C entladen werden.
Die schwächste Zelle begrenzt die Leistung der gesamten Batterie.
Ein Akku besteht aus vielen Lithium-Ionen-Zellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind, um die erforderliche Leistung und Energie zu erreichen (weitere Informationen finden Sie im TechLetter zum Akkusystem ). Wie in der Abbildung unten dargestellt, fließt durch alle in Reihe geschalteten Zellen derselbe Strom. Wenn also eine Zelle eine geringere Kapazität als die anderen hat, ist sie vor den anderen entladen und begrenzt die Leistung des gesamten Akkus.
Quelle : Neu Zell Ausgleich Lade System Forschung für Lithium-Ionen-Batterien von Chan-Yong Zun, Sang-Uk Park und Hyung-Soo Mok
Es ist daher wichtig, sicherzustellen, dass die Zellen eine sehr homogene Alterung aufweisen, um die Lebensdauer des Akkupacks zu maximieren. Das Wärmemanagement des Akkupacks muss sicherstellen, dass alle Zellen bei derselben Temperatur arbeiten.
Schlussfolgerung
Aufgrund des physikalischen Phänomens, das bei Lithium-Ionen-Zellen auftritt, hat die Temperatur einen großen Einfluss auf deren Leistung und Alterung. Die Temperaturkontrolle über die gesamte Lebensdauer der Batterie ist daher für Anwendungen, die eine konstante Leistung und lange Lebensdauer erfordern, von großer Bedeutung. Diese Temperaturkontrolle muss sicherstellen, dass die Zelltemperaturen im gesamten Batteriepack sehr homogen sind, damit die Gesamtleistung nicht durch die am stärksten gealterte Zelle eingeschränkt wird.
Die Luftkühlung des Akkus ist nicht effizient genug. Die Wasserkühlung führt aufgrund ihrer Konstruktion zu einer großen Temperaturdifferenz zwischen den Zellen und erhöht die Brandgefahr bei einem Wasseraustritt im Akku.
Durch den Einsatz von Immersionskühlung und einer patentierten Kühlarchitektur, die eine sehr homogene Temperatur im gesamten Batteriepack gewährleistet, ermöglicht die Technologie von WATTALPS eine hohe Leistung und längere Lebensdauer sowie eine verbesserte allgemeine Batteriesicherheit.
Weitere Informationen zur Kühlleistung von WATTALPS finden Sie in einem TechLetter, der diesen Sommer veröffentlicht wird.
