Was ist Lithiumbatterietechnologie?

Lithiumbatterien unterscheiden sich von anderen Batteriechemien durch ihre hohe Energiedichte und niedrigen Kosten pro Zyklus. Allerdings ist „Lithiumbatterie“ ein mehrdeutiger Begriff. Es gibt etwa sechs gängige Chemien von Lithiumbatterien, die alle ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Für erneuerbare Energieanwendungen ist die vorherrschende Chemie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) . Diese Chemie zeichnet sich durch hervorragende Sicherheit, hohe thermische Stabilität, hohe Nennströme, lange Lebensdauer und Missbrauchstoleranz aus.

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) ist im Vergleich zu fast allen anderen Lithiumchemien eine äußerst stabile Lithiumchemie. Die Batterie besteht aus einem natürlich sicheren Kathodenmaterial (Eisenphosphat). Im Vergleich zu anderen Lithiumchemikalien fördert Eisenphosphat eine starke molekulare Bindung, die extremen Ladebedingungen standhält, die Lebensdauer verlängert und die chemische Integrität über viele Zyklen hinweg aufrechterhält. Dies verleiht diesen Batterien ihre große thermische Stabilität, lange Zyklenlebensdauer und Missbrauchstoleranz. LiFePO4-Batterien Sie neigen weder zur Überhitzung, noch neigen sie zum „thermischen Durchgehen“ und überhitzen oder entzünden sich daher nicht, wenn sie unsachgemäßer Handhabung oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

Im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien und anderen Batteriechemikalien geben Lithiumbatterien keine gefährlichen Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff ab. Es besteht auch keine Gefahr durch Kontakt mit ätzenden Elektrolyten wie Schwefelsäure oder Kaliumhydroxid. In den meisten Fällen können diese Batterien in geschlossenen Räumen ohne Explosionsgefahr gelagert werden, und ein ordnungsgemäß konzipiertes System sollte keine aktive Kühlung oder Entlüftung erfordern.

Lithiumbatterien sind eine Anordnung aus vielen Zellen, wie Blei-Säure-Batterien und viele andere Batterietypen. Blei-Säure-Batterien haben eine Nennspannung von 2 V/Zelle, wohingegen Lithium-Batteriezellen eine Nennspannung von 3,2 V haben. Um eine 12-V-Batterie zu erhalten, müssen daher normalerweise vier Zellen in Reihe geschaltet werden. Dadurch wird die Nennspannung von a erreicht LiFePO4 12,8V . Acht in Reihe geschaltete Zellen ergeben eine 24V-Batterie mit einer Nennspannung von 25,6V und sechzehn in Reihe geschalteten Zellen ergeben a 48V-Batterie mit einer Nennspannung von 51,2V. Diese Spannungen funktionieren sehr gut mit Ihren typischen 12V-, 24V- und 48V-Wechselrichter .

Lithium-Batterien werden oft als direkter Ersatz für Blei-Säure-Batterien verwendet, da sie sehr ähnliche Ladespannungen haben. Ein Vierzeller LiFePO4-Akku (12,8 V), hat normalerweise eine maximale Ladespannung zwischen 14,4 und 14,6 V (abhängig von den Empfehlungen des Herstellers). Das Besondere an einer Lithiumbatterie ist, dass sie weder eine Absorptionsladung benötigt noch längere Zeit in einem konstanten Spannungszustand gehalten werden muss. Wenn die Batterie die maximale Ladespannung erreicht, muss sie normalerweise nicht mehr aufgeladen werden. Auch das Entladeverhalten von LiFePO4-Akkus ist einzigartig. Während der Entladung halten Lithiumbatterien eine viel höhere Spannung aufrecht, als es Blei-Säure-Batterien normalerweise unter Last tun würden. Es ist nicht ungewöhnlich, dass bei einer Lithiumbatterie der Spannungsabfall von der vollen Ladung bis zu 75 % der Entladung nur um ein paar Zehntel Volt abfällt. Ohne Batterieüberwachungsgeräte kann es daher schwierig sein, festzustellen, wie viel Kapazität verbraucht wurde.

Ein wesentlicher Vorteil von Lithiumbatterien gegenüber Bleisäurebatterien besteht darin, dass sie nicht unter Defizitzyklen leiden. Dies liegt im Wesentlichen vor, wenn die Akkus nicht vollständig aufgeladen werden können, bevor sie am nächsten Tag wieder entladen werden. Dies ist ein sehr großes Problem bei Blei-Säure-Batterien und kann zu einer erheblichen Plattenverschlechterung führen, wenn sie wiederholt auf diese Weise betrieben wird. LiFePO4-Akkus müssen nicht regelmäßig vollständig aufgeladen werden. Tatsächlich ist es möglich, die Gesamtlebensdauer mit einer leichten Teilladung anstelle einer Vollladung leicht zu verbessern.

Effizienz ist ein sehr wichtiger Faktor bei der Planung von Solarstromanlagen. Der Hin- und Rückwirkungsgrad (von voll zu leer und wieder voll) einer durchschnittlichen Blei-Säure-Batterie beträgt etwa 80 %. Andere Chemikalien können noch schlimmer sein. Die Gesamtenergieeffizienz einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie liegt bei über 95–98 %. Dies allein stellt eine erhebliche Verbesserung für Systeme dar, denen im Winter die Solarenergie fehlt. Die Kraftstoffeinsparungen durch das Aufladen des Generators können enorm sein. Die Absorptionsladestufe von Blei-Säure-Batterien ist besonders ineffizient und führt zu Wirkungsgraden von 50 % oder sogar weniger. Da Lithiumbatterien keine Absorptionsladung haben, kann die Ladezeit von der vollständigen Entladung bis zur vollständigen Ladung nur zwei Stunden betragen. Es ist auch wichtig zu beachten, dass eine Lithiumbatterie laut Nennleistung nahezu vollständig entladen werden kann, ohne dass es zu nennenswerten negativen Auswirkungen kommt. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die einzelnen Zellen nicht zu stark entladen werden. Das ist die Aufgabe des Integrierten Batteriemanagementsystem (BMS) .

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithiumbatterien sind ein großes Anliegen, daher sollten alle Baugruppen über einen integrierten Akku verfügen Batteriemanagementsystem (BMS) . Das BMS ist ein System, das Zellen überwacht, bewertet, ausgleicht und vor dem Betrieb außerhalb des „sicheren Betriebsbereichs“ schützt. Das BMS ist eine wesentliche Sicherheitskomponente eines Lithiumbatteriesystems und überwacht und schützt die Zellen innerhalb der Batterie vor Überstrom, Unter-/Überspannung, Unter-/Übertemperatur und mehr. Eine LiFePO4-Zelle wird dauerhaft beschädigt, wenn die Spannung der Zelle jemals auf weniger als 2,5 V sinkt. Sie wird auch dauerhaft beschädigt, wenn die Spannung der Zelle auf mehr als 4,2 V ansteigt. Das BMS überwacht jede Zelle und verhindert Schäden an den Zellen bei Unter-/Überspannung.

Eine weitere wesentliche Aufgabe des BMS besteht darin, den Akku während des Ladevorgangs auszubalancieren und sicherzustellen, dass alle Zellen ohne Überladung vollständig aufgeladen werden. Die Zellen eines LiFePO4-Akkus gleichen sich am Ende des Ladezyklus nicht automatisch aus. Es gibt geringfügige Schwankungen in der Impedanz durch die Zellen und daher ist keine Zelle zu 100 % identisch. Daher werden einige Zellen beim Zyklieren früher vollständig geladen oder entladen als andere. Die Varianz zwischen Zellen wird mit der Zeit deutlich zunehmen, wenn die Zellen nicht ausgeglichen sind.

In Blei-Säure-Batterien Der Strom fließt auch dann weiter, wenn eine oder mehrere Zellen vollständig geladen sind. Dies ist ein Ergebnis von Die Elektrolyse findet innerhalb der Batterie statt, wobei das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Dieser Strom trägt dazu bei, andere Zellen vollständig aufzuladen und so die Ladung aller Zellen auf natürliche Weise auszugleichen. Allerdings hat eine voll geladene Lithiumzelle einen sehr hohen Widerstand und es fließt nur sehr wenig Strom. Die nacheilenden Zellen werden daher nicht vollständig aufgeladen. Während des Ausgleichs belastet das BMS die vollständig geladenen Zellen leicht, um ein Überladen zu verhindern und den anderen Zellen das Aufholen zu ermöglichen.

Lithiumbatterien bieten viele Vorteile gegenüber anderen Batteriechemien. Sie stellen eine sichere und zuverlässige Batterielösung dar, bei der keine Gefahr eines thermischen Durchgehens und/oder einer katastrophalen Kernschmelze besteht, was bei anderen Lithiumbatterietypen eine erhebliche Gefahr darstellt. Diese Batterien bieten eine extrem lange Zyklenlebensdauer, einige Hersteller garantieren sogar eine Batterielebensdauer von bis zu 10.000 Zyklen. Mit hohen Entlade- und Wiederaufladeraten von über C/2 im Dauerbetrieb und einem Hin- und Rückwirkungsgrad von bis zu 98 % ist es kein Wunder, dass diese Batterien in der Branche zunehmend an Bedeutung gewinnen. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) ist perfekt Energiespeicherlösung .