Bestimmung des Batteriezustands
Für die Verwendung eines Energiespeichers ist sein aktueller „Füllstand“ immer von Interesse – sei es für die Bewertung der Restlaufzeit eines Mobiltelefons oder eines Laptops oder auch im Hinblick auf die Reichweite eines Elektrofahrzeugs. Spielt die Ladedauer bei einem Mobiltelefon oder einem Laptop eine eher untergeordnete Rolle, kann sie im Zusammenhang mit der Elektromobilität von besonderer Bedeutung sein.
Den aktuellen Zustand eines Energiespeichers gut zu beschreiben kann schwieriger sein, als es zunächst den Anschein hat. Eine gute Veranschaulichung des aktuellen Zustands eines Akkumulators stellt das Tonnenmodell dar [1]. Im Zusammenhang mit der Zyklisierung von Knopfzellen wurde dieses Modell bereits ausführlich beschrieben [2]. Im Folgenden soll die Wärmeentwicklung beim Laden und Entladen von 18650-Zellen, also deutlich größere Batterien als Knopfzellen, untersucht werden.
Das NETZSCH ARC® 254
Das NETZSCH Accelerating Rate Calorimetry (ARC)Die Methode, die isotherme und adiabatische Testverfahren beschreibt, wird zur Detektion thermisch induzierter Zersetzungsreaktionen eingesetzt. Das Standardverfahren ist Heat-Wait-Search (HWS.ARC® 254 (Abbildung 1) ist ein Accelerating Rate Kalorimeter, mit dem üblicherweise das sogenannte thermische Durchgehen von einzelnen Substanzen oder Reaktionsgemischen untersucht wird [3].
Im Hinblick auf die Zyklisierung von Batterien soll das ARC® 254 jedoch als isothermes Kalorimeter verwendet werden. Dazu kann der Aufbau des ARC® 254 in besonderer Weise genutzt werden. Für die oben erwähnten Sicherheitsuntersuchungen ist der eigentliche Kalorimeterraum im ARC® 254 von diversen voneinander unabhängigen Heizern umgeben. Für die isotherme Untersuchung von Akkumulatoren werden diese im Kalorimeter von einem weiteren Heizer umschlossen, so dass sich die Temperatur der Batterie unabhängig vom Kalorimeter regeln lässt.
18650 Zellen
Die sogenannten 18650-Zellen sind Standard-Industriezellen in einem zylindrischen Metallgehäuse mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Höhe von 65,0 mm (Abbildung 2).
Die Batterie wird in einen die zylindrische Zelle umschließenden Heizer eingebracht (Abbildung 3) und in den Messraum des Kalorimeters eingebaut.
Die Batterie ist dabei über einen einfachen Stecker mit einer externen Zyklisiereinheit (Abbildung 4) zum Aufbringen von Strom und SpannungSpannung ist definiert als Kraftniveau, das auf eine Probe mit definiertem Querschnitt aufgebracht wird (Spannung = Kraft/Fläche). Proben mit runden oder rechteckigen Querschnitten können komprimiert oder gestreckt werden. Elastische Materialien, wie Elastomere, können bis um das 5- oder 10-fache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden.Spannung für das Laden und Entladen verbunden.
Das Interesse an der Bestimmung der Wärmebilanzen von Batterien während des Ladens und Entladens ist hochaktuell, aber nicht ganz neu. Zwar weicht der im Folgenden beschriebene Aufbau im NETZSCH ARC® 254 von den Vorlagen in der Literatur ab, die grundsätzliche Vorgehensweise gleicht jedoch dem bereits von Hansen et. al 1982 beschriebenen Verfahren [4].
Der 3D-VariPhi®-Heizer
Wie bereits angedeutet, wird die zylindrische Batterie direkt vom 3D-VariPhi®-Heizer ( 5 in Abb. 5) umgeben.
Dieser muss eine bestimmte Leistung aufbringen, um die Batterie auf einer konstanten Temperatur zu halten. Die benötigte Leistung hängt nicht zuletzt von der Umgebungstemperatur ab.
Damit eine hinreichend große Regelstrecke entsteht, sind die übrigen Heizer des Kalorimeters ( 2 , 6 , 9 und 10 in Abbildung 5) konstant auf eine niedrigere Temperatur eingestellt. Würden die in der Batterie ablaufenden energetischen Prozesse während des Ladens und Entladens die Temperatur der Zelle ändern, so kann die Leistungsversorgung des 3D-VariPhi®-Heizers ( 5 ) darauf unmittelbar reagieren und so für eine konstante Temperatur der Batterie sorgen. Aus der Leistungsbilanz des 3D-VariPhi®-Heizers ( 5 ) wiederum kann die während der Zyklen aufgenommene oder freigesetzte Wärme der Batterie direkt ermittelt werden.
Da die zur Temperierung der Batterie notwendige Leistung des 3D-VariPhi®-Heizers von Bedeutung ist, ist der Zusammenhang zwischen Heizleistung und Batterietemperatur in Abbildung 6 aufgetragen.
Zyklisieren einer 18650-Zelle
Die zu untersuchende 18650-Zelle wurde durch den 3D-VariPhi®-Heizer konstant auf 35 °C temperiert. Nach einem definierten Entladevorgang (cut-off 2,5V) wurde dieser Lithium-Ionen-Akku mit dem sogenannten CC/ CV-Ladeverfahren (constant current/constant voltage) geladen (4,2 V, I-limit 100 mA). Nach 120 min Pause folgte ein Entladen. Beides wurde anschließend einmal wiederholt. Die verwendeten Lade- bzw. Entladeströme sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Lade- und Entladeströme
| Laden | Entladen | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Jeder Nutzer weiß aus eigener Erfahrung, dass sich Mobiltelefone oder Laptops bei intensivem Betrieb und ebenso beim Laden erwärmen. In Bezug auf den Ladezyklus stellen diese Wärmeentwicklungen energetische Verluste dar, denn die so freigewordene Wärmemenge steht für die eigentliche Nutzung des Energiespeichers nicht zur Verfügung. Man kann folglich die mit dem ARC® 254 bestimmte Wärmemenge während des Ladens und Entladens als Verluste im Hinblick auf die Ladeeffizienz auffassen. Die Ergebnisse der Wärmetönung der 18650-Zelle in Abhängigkeit von den verschiedenen Laderaten sind in den Abbildungen 7 bis 9 dargestellt. Stellt man die investierte Lade- oder Entladeleistung den gemessenen Wärmetönungen, also den Verlusten, gegenüber, so lässt sich die Effizienz der Teilzyklen unabhängig voneinander bestimmen.
Summary
Mit dem NETZSCH ARC® 254 wurde eine zylindrische Batterie (18650) bei 35 °C mit verschiedenen Laderaten (1C, C/2, C/4) zyklisiert. Die dabei detektierten Wärmetönungen entsprechen den thermischen Verlusten, die es erlauben, die Effizienz der Zyklen für das Laden und das Entladen unabhängig voneinander zu ermitteln. Gäbe es keine Verluste, so läge die Effizienz bei 100%. Die aus den Wärmetönungen ermittelten Verluste sind für die Lade- und Entladezyklen, sowie für die verschiedenen Laderaten in Abbildung 10 zusammengestellt. Dabei wird deutlich, dass für geringe Laderaten (C/4) die Verluste geringer und damit die Effizienz höher ist als für höhere Laderaten (1C).