Batterien

Alexander Brger ist seit 2008 in der Industrie mit Fokus auf Entwicklung und Weiterentwicklung von Batterien beschftigt und nimmt zudem Lehrauftrge im Bereich elektrochemischer Energiespeicher wahr. Nach seinem Chemiestudium an der TU Dresden und der Universidad de Salamanca promovierte Alexander Brger 2006 an der TU Braunschweig in Physikalischer Chemie und schloss dort anschlieend zwei Jahre Postdoc-Forschung an. Heinz Wenzl ist seit 2010 Honorarprofessor fr Batteriesysteme der TU Clausthal-Zellerfeld. Der Physiker und Wirtschaftsingenieur promovierte an der TU Mnchen und machte sich nach verschiedenen Ttigkeiten in der Industrie, u.a. bei einem Hersteller vieler unterschiedlicher Batteriesysteme, Blei-Sure, Nickel-Cadmium, Silber-Zink, Lithium-Metall und batteriegesttzter Stromversorgungen, 1993 mit eigenem Ingenieurbro zur Beratung fr Batterien und Energietechnik selbstndig.

vorwort v Symbolverzeichnis xxiii 1 Einfhrung 1 1.1 Energieversorgung allgemein 1 1.2 Elektrochemische und nicht-elektrochemische Energiespeichertechnologien 3 1.3 Grundlegende Eigenschaften von Batterien, Gemeinsamkeiten und Unterschiede 5 1.4 berbrckungszeit 7 1.5 Vergleich von Batterietechnologien 9 1.6 Anwendungen und Einordnung von Batterien in Gesamtsysteme 10 Literatur 12 Aufgaben 12 2 Elektrochemische Grundlagen 15 2.1 Elektrochemische Grundbegriffe 16 2.1.1 Einige Definitionen 16 2.1.2 Spannung und Ladungstrgerverteilung 17 2.1.3 Die spannungsbildenden Reaktionen Hauptreaktionen 18 2.1.4 Doppelschichtkondensator und Austauschstromdichte 20 2.1.5 Faradaysche Zahl 21 2.1.6 Theoretische spezifische Kapazitt von Elektroden oder Zellen 21 2.2 Elektrochemische Thermodynamik 22 2.2.1 Energiebilanz und Gleichgewichtsspannung 22 2.2.2 Konzentrationsabhngigkeit der Gleichgewichtsspannung (Nernst-Spannung) 23 2.2.3 Temperaturabhngigkeit der Gleichgewichtsspannung 24 2.2.4 Entropieterm und Wrmetnung reversible Wrme 24 2.2.5 Elektrochemische Spannungsreihe 24 2.2.6 Grenzen thermodynamischer Betrachtungen 25 2.2.7 Theoretische spezifische Energie 26 2.2.8 Referenzelektrode 26 2.3 Elektrochemische Kinetik 27 2.3.1 berspannungsarten 27 2.3.2 Ladungstrgerdurchtrittsspannung 28 2.3.3 Butler-Volmer-Gleichung 28 2.3.4 Abhngigkeit der BV-Gleichung von wichtigen Systemparametern 33 2.3.5 Widerstandsverluste bei der Stromleitung ohmsche Erwrmung 37 2.3.6 Auswirkungen der Temperatur 37 2.3.7 U-I-Kennlinie von elektrochemischen Systemen 40 2.4 Ersatzschaltbilder 41 2.4.1 Grundlagen elektrochemischer Ersatzschaltbilder 41 2.4.2 Grundlegende Ersatzschaltbilder einer Elektrode und einer Zelle 42 2.4.3 Ersatzschaltbild bei konstantem Strom 44 2.5 Nebenreaktionen 45 Literatur 47 Aufgaben 47 3 Laden und Entladen von Zellen und Batterien 51 3.1 Begriffsbestimmungen Kapazitt und Innenwiderstand 52 3.1.1 Kapazitt 52 3.1.2 Innenwiderstand 54 3.2 Begriffsbestimmung Laden und Entladen von Batterien 54 3.2.1 Entladen 55 3.2.2 Laden 55 3.2.3 Ladefaktor und Wirkungsgrad 58 3.3 Entladen und Laden von Elektroden einer Zelle 59 3.3.1 Bedeutung der BV-Gleichung fr den Verlauf von Strom und Spannung 59 3.3.2 Entladen und Laden mit konstantem Strom 61 3.3.3 Laden mit konstantem Strom 62 3.3.4 Strom- und Spannungsverlauf von Batterien 64 3.4 Reihenschaltung von Elektrodenwechselwirkungen von Elektroden aufeinander 65 3.5 Entladen und Laden von Elektroden in einer Zelle 66 3.5.1 Bedeutung von Nebenreaktionen bei Reihenschaltung 67 3.5.2 Entladen von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihenschaltung 68 3.5.3 Entladen von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 69 3.5.4 Laden von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 72 3.5.5 Laden von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihe 75 3.6 Auswirkungen eines Kurzschlusses einer Zelle bei Reihenschaltung 76 3.7 Fehlerpropagation, parallele Batteriestrnge und Weiteres 77 Literatur 77 Aufgaben 77 4 Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen 81 4.1 Elektrochemische Anforderungen an die Struktur von Aktivmassen 82 4.1.1 Allgemeine Anforderungen 82 4.1.2 Verfgbarkeit von Reaktanten 84 4.1.3 Ionische und elektronische Leitfhigkeit von Elektroden und Zellen 85 4.1.4 Mechanische Beanspruchung der Elektroden 86 4.2 Aufbau von Zellen 87 4.2.1 Allgemeine Hinweise 87 4.2.2 Bipolarplattenaufbau 88 4.2.3 Stapelzellen und gewickelte Zellen 88 4.3 Kombinierte Ionen- und Elektronenleitfhigkeit der Elektroden 94 4.4 Zellgehuse und Batteriesysteme 95 4.4.1 Allgemeine Anforderungen 95 4.4.2 Spezifische Energie von Zellen, Modulen und Batteriesystemen 96 Literatur 97 Aufgaben 97 5 Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien 99 5.1 Inhomogene Wrmekapazitt und anisotrope Wrmeleitung 100