So findet man die richtige Batterietechnologie

Lithium-Ionen-Akkus sind die leistungsfähigsten Akkus – aber um den richtigen Akku zu finden, gibt es zahlreiche Kriterien zu beachten. Einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien lesen Sie in unserem Buchtipp „Akkuwelt.“ Hier ein Auszug:

Hinter dem Begriff Lithium-Ionen-Akkumulatoren verbergen sich verschiedenste Produkte, die je nach Hersteller, Bauart, Größe und Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften besitzen.

Um die richtige Batterietechnologie auszuwählen, sind folgende Auswahlkriterien wichtig:

• Temperaturempfindlichkeit

• Sicherheit

• Energiedichte

• Leistungsdichte

• Beschaffungskosten

• Zyklenzahl

• Lebensdauer

• Aufladezeit

Bei der Auswahl ergibt sich ein Spannungsfeld zwischen wirtschaftlichen Interessen und technischen Anforderungen. Das nebenstehende Bild zeigt die wichtigsten Auswahlkriterien hinsichtlich der gängigsten Lithium-Akkumulatoren wie Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP), Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Batterie (NMC), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumdioxid-Batterie (NCA) und Lithium-Mangan-Oxid-Spinell-Batterie (LMS) auf:

Wenn ein Anwender also den Faktor Sicherheit priorisiert, dann sollte er die Lithium-Eisenphosphat-Zellen wählen – er muss aber berücksichtigen, das er im Bereich Energiedichte Abstriche hinnehmen muss. Je nach Anwendung besitzt so jede Technologie ihre Daseinsberechtigung. Die angestrebten Parameter sind vom Endprodukt und dessen Bedarf abhängig. Deshalb ist es sinnvoll, die verschiedenen Auswahlkriterien genauer zu betrachten, um die Auswahl zu demonstrieren. Dafür werden zunächst die elektrischen Eigenschaften betrachtet.

Von Energiedichte bis Selbstentladung: Definition der elektrischen Eigenschaften

Eine Lithium-Ionen-Batterie stellt einen auf elektrochemischer Basis arbeitenden Stromspeicher dar. Im folgenden werden die elektrischen Eigenschaften im Detail erläutert:

Energiedichte: Die Energiedichte wird definiert als Energiegehalt pro Gewichtseinheit. Eine hohe Energiedichte bezüglich Volumen und Gewicht bedeutet eine hohe bzw. lange Leistungsbereitstellung des Lithium-Akkus.

Zyklenfestigkeit: Ein Zyklus stellt eine regelmäßige, in sich geschlossene Folge von Entlade- und Ladevorgängen dar. Der Begriff Zyklenfestigkeit umschreibt die Stabilität der entnehmbaren Kapazität bei Zyklisierung. Lithium-Akkumulatoren mit einer hohen Zyklenfestigkeit, besonders auch im Teilladezustand, zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer aus.

Hochstromfähigkeit: Unter Hochstromfähigkeit versteht man eine hohe Stromtragfähigkeit bei außergewöhnlich hoher Energieleitfähigkeit. Eine große Hochstromfähigkeit, besonders bei sehr niedrigen bzw. hohen Temperaturen, ist ein Kriterium für eine leistungsfähige Verfügbarkeit.

Entladespannung: Unter Entladespannung versteht man die Spannung während des Entladevorganges. Ihre Höhe hängt vom Belastungs- und Ladezustand ab. Je höher die Entladespannung ist, desto leistungsfähiger bzw. einsatzvariabler ist der Akku. Eine konstante Entladespannung gilt als wirtschaftlich vorteilhaft.

Wiederaufladezeit: Die Wiederaufladezeit umschreibt die Zeitspanne zur Herstellung der vollständigen Leistungsfähigkeit des Akkus. Kurze Wiederaufladezeiten bedeuten eine hohe Verfügbarkeit der Lithium-Akkumulatoren und folglich eine höhere Wirtschaftlichkeit. Die Effektivität der Wiederladezeit ist in Kombination mit der einsetzbaren Ladetechnik zu sehen.

Selbstentladung: Selbstentladung ist ein chemischer Prozess, bei dem sich Batterien, ohne dass ein Verbrauchsstrom fließt, langsam entladen. Der Prozess der Selbstentladung ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto stärker die Selbstentladung. Eine geringe Selbstentladung bedeutet eine längere Verfügbarkeit der Lithium-Akkus, eine höhere Energieeffizienz, eine geringere Anzahl an Ladezyklen und somit eine bessere Wirtschaftlichkeit.

Grundsätzliches Bei nickelbasierenden Batterien werden Teilzyklen als kompletter Zyklus gezählt, da hier der Ladevorgang für die Alterung dominierend ist. Einfache, nicht hochkomplexe, Ladetechniken gelten in der Regel als kostengünstig. So sind Lithium- Ionen-Akkumulatoren im Vergleich zu Nickel-Cadmium- bzw. Nickel-Metallhydrid-Batterien leichter wiederaufladbar. Die Lithium-Technologie besitzt in der Regel eine geringe Selbstentladung bei weniger als 2 Prozent Selbstentladungen pro Jahr sowie eine geringere Wartung als Bleibatterien.

Bildergalerie

Lithium-Akkus als leistungsfähigster Energieträger

Betrachtet man die wesentlichen elektrischen Eigenschaften von Lithium-Akkus, so besitzen sie im Vergleich zu anderen Batterietypen mit ca. 250 Wh/kg die höchste Energiedichte, die höchste Leistungsdichte, die längste Zyklenlebensdauer, den weitesten Temperatureinsatzbereich und die geringsten Selbstentladeraten mit 1 bis 2 Prozent pro Jahr. Sie gelten somit als leistungsfähigster Energieträger. Für die eigene Auswahl der optimalen Technologie sollte man die relevanten Aspekte der Anwendung entsprechend priorisieren, da je nach Anforderung die Anwendung der einen oder anderen Technologie innerhalb der Lithium-Ionen-Familie vorteilhafter ist.

Wartungsaufwand und Lebensdauer von Akkus: Die konstruktive Vorgaben

Neben den elektrischen Eigenschaften spielen auch konstruktive Vorgaben eine wesentliche Rolle bei der Auswahl des jeweils optimalen Lithium-Ionen-Akku-Typs. Das sind die häufigsten konstruktiven Vorgaben:

Wartungsaufwand: Um sowohl während der Lagerung als auch bei der Verwendung kostenoptimiert wirtschaften zu können, strebt man in der Regel einen minimalen Wartungsaufwand an. Besonders Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeichnen sich durch ihren geringen Wartungsaufwand im Vergleich zu Blei- oder Nickel-Cadmium- bzw. Nickel-Metallhydrid-Batterien aus.

Verfügbarkeitskontrolle: Bauteile sollen immer einsatzbereit sein. Mithilfe der Messung der Selbstentladungsrate bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren wird es im Gegensatz zu anderen Batterietypen möglich, die Lebensdauer und somit die Verfügbarkeit einschätzen zu können.

Langlebigkeit: Die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus ist mit der Wirtschaftlichkeit des Bauteils verknüpft. Hochwertige, robuste und langlebige Konstruktionen unterstützen somit die ökonomischen Ziele von Unternehmen, Organisationen und Institutionen. Dabei ist die Baukonstruktion als Ganzes zu betrachten, um beispielsweise die verwendeten Akkumulatoren von potenziellen Wärmequellen, wenn möglich, räumlich zu trennen.

Kurzschlusssicherheit: Kurzschlusssicherheit gegen interne oder externe Umfeldfaktoren dient der Absicherung gegen Thermal Runaways und vermindert eine höhere Ausfallrate. Lithium-Ionen-Akkus benötigen hierzu eine Schutzbeschaltung. Aufgrund ihrer Niederohmigkeit (hoher Kurzschlussstrom) können Kurzschlüsse fatale Folgen haben.

Konstruktion, Montage, Inbetriebnahme, Austausch: Einfache Montage, leichter Austausch und problemlose Inbetriebnahme vermindern die Unfall- und Beschädigungsgefahr der Lithium-Akkus. Aufgrund sich verändernder Anforderungen und somit einer erneuten Priorisierung der Batterieanforderungen sollte ein variables und flexibles Gehäusedesign zur Verwendung verschiedener Zellen angestrebt werden. Darüber sollten flammfeste Gehäuse verwendet werden, um die Brand- und Unfallgefahr zu vermindern.

Zulassungskriterien: Die konstruktive Beachtung von spezifischen Zulassungskriterien kann sich auch auf die Wahl der optimalen Lithium-Ionen-Technologie auswirken. Unter gewissen Umständen muss aufgrund von gesetzlichen Vorgaben und Vorschriften auch eine andere Energiespeicher-Technologie verwendet werden. Die Zulassungskriterien umfassen in diesem Zusammenhang entsprechende Schulungen, Lagerungsvoraussetzungen oder Reparatur- und Handhabungsvorschriften.

DEFINITIONUnter niederohmigen Bauteilen versteht man solche mit geringem elektrischen Widerstand.

Ressourcen- und Energieverbrauch von Akkus: Die umweltbezogenen Anforderungen

Die Einhaltung umweltbezogener Anforderungen dient einerseits dem Umweltschutz, andererseits der Kostenprävention.

Emissionsschutz / Immissionsschutz: Hinsichtlich der Herstellung, Lagerung und Verwendung von Lithium-Akkus sind die Vorschriften und Gesetze des Emissions-/Immissionsschutzes einzuhalten. Ziel dieses Gesetzes ist es, Menschen, Tiere und Pflanzen vor schädlichen Umwelteinwirkungen zu schützen. Die Einhaltung der Rechtsvorschriften ist oft mit erheblichen Aufwendungen und Vorkehrungen verbunden.

Ressourcenverbrauch: Natürliche Ressourcen sind in der Regel nicht unendlich verfügbar, weshalb eine nachhaltige Strategie notwendig ist. So ist u.a. im Gesetz über die Vermeidung und Sanierung von Umweltschäden vermerkt, dass eine Veränderung einer natürlichen Ressource oder die Beeinträchtigung einer natürlichen Ressource zu vermeiden ist. Hinsichtlich der Herstellung und dem Recycling von Lithium-Ionen-Batterien müssen die jeweiligen Rechtsvorschriften beachtet werden.

Energieverbrauch: Politische Bestrebungen in Deutschland sind auf Energiesparen und die Nutzung von erneuerbaren Energien ausgerichtet. Der ökonomische Vorteil ergibt sich bei den Lithium-Akkus dadurch, dass ein geringer Energieverbrauch bei der Herstellung oder Wiederverwendung eintritt. Zum direkten Vergleich: Nickel-Cadmium-Batterien verbrauchen 140 Prozent Ladeenergie, um 100 Prozent Speicherenergie zu erhalten. Die benötigte Ladeenergie für Lithium-Ionen-Akkumulatoren liegt bei nur 103 Prozent.

Dabei gibt es korrelierende und konkurrierende Bereiche zwischen ökonomischen und ökologischen Zielsetzungen. Aufgrund dessen ist eine separate und umfassende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung notwendig.

Was kostet ein Lithium-Akku? Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Für eine umfassende Aussage hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit eines Produktes müssen Investitionen, Produktionskosten sowie Preis und Nachfrage betrachtet und analysiert werden. Hinsichtlich der Lithium-Akkus sind nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch Wartungskosten, Lagerkosten und Entsorgungskosten ein wesentliches Wirtschaftlichkeitskriterium:

Anschaffungskosten: Die Anschaffungskosten für Lithium-Ionen-Akkus sind seit Jahren einem Abwärtstrend unterworfen. Experten prognostizieren Anschaffungskosten von unter 200 Euro pro kWh bis zum Jahr 2020. Noch im Jahr 2010 lag der Preis pro kWh bei 500 Euro, während dieser bis zum Jahr 2017 bei 200 Euro pro kWh gesunken ist. Gründe für diese positive Entwicklung liegen in der steigenden Nachfrage und in der derzeit bestehenden Überkapazität der Hersteller.

Wartungskosten: Die Lithium-Ionen-Technologie gilt in der Regel als wartungsfrei bzw. wartungsarm im Vergleich zu anderen Energiespeicher-Technologien wie offenen Bleibatterien. Die Lebensdauer eines Akkus hängt dabei primär von der Verarbeitung, dem Gebrauch und der Betriebstemperatur ab. Wartungen dürfen aufgrund der hohen Energiedichte und eventuell hoher Spannungen nur von speziell geschultem Fachpersonal durchgeführt werden.

Lagerkosten: Lithium-Akkus gehören zu einer Produktgruppe, deren Lagerkosten sowohl vom Batterietyp als auch von den Umweltbedingungen wie Lagertemperatur und Lagermenge abhängen. Hierbei sind unter anderem die gelagerte Menge, die Brandabschnitte und Meldeanlagen Kriterien, die mit der Feuerwehr, der Versicherung und dem Bauamt abzustimmen sind.

DEFINITIONUnter dem Begriff „Total Costs of Ownership“ (TCO) versteht man die Summe aller anfallenden Kosten, beginnend mit den Anschaffungskosten über die Nutzungskosten wie Strombedarf, Wartungen bis hin zu den Aufwendungen für eine gesetzeskonforme bzw. fachgerechte Entsorgung. TCO stellen dabei einen wesentlichen Gestaltungsaspekt während der Phase der Produktentwicklung dar, der sich auf die Kaufentscheidung des Kunden auswirkt.

Unterhaltskosten / Total Cost of Ownership (TCO): Der Begriff Unterhaltskosten umfasst alle Parameter, die den Lithium-Ionen-Akku als Ganzes umschreiben. Ein Vergleich mit Blei-Säure-Batterien ist in nebenstehender Abbildung aufgezeigt.

Die Unterhaltskosten variieren je nach Verwendung, Lagerung oder benötigtem Wiederaufladeprozess inklusive anfallender Stromkosten. Unabhängig von der Kapazität gilt: Je hochstromfähiger eine Zelle ist, desto teurer ist sie.

Entsorgungskosten: Wegen der Materialien, die in Batterien enthalten sind, ist es wichtig, diese getrennt zu sammeln. So bestehen sie – je nach Batteriesystem – zu großen Teilen aus Wertstoffen wie Blei, Zink, Nickel, Eisen/Stahl, Aluminium, Lithium, Cadmium, Kupfer, Cobalt oder Quecksilber. Die Demontage und Verwertung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren stellt wegen des hochreaktiven Lithiums eine Herausforderung dar. Aufgrund dessen müssen Altbatterien entsprechend der Gesetztesvorgaben behandelt und einer stofflichen Verwertung zugeführt werden.

DEFINITIONDer Begriff „Wirkungsgrad“ beschreibt das Verhältnis von aufgewandter zu nutzbarer Energie. Der Begriff „Entladetiefe“ stellt ein Maß für die Ladungsentnahme einer Batterie dar. Die Entladetiefe errechnet sich aus der entnommenen Ladung im Verhältnis zur Nennkapazität der Batterie, ausgedrückt in Prozent. Mit dem Begriff „Zyklenlebensdauer“ wird die Zahl an Zyklen definiert, bis zu der die Batterie in der Lage ist, 80 Prozent ihrer Nennkapazität abzugeben.

Übersicht über die Auswahlkriterien

Insgesamt lässt sich feststellen, dass derzeit die Lithium-Technologie die optimale Leistungsdichte im Verhältnis zur Wirtschaftlichkeit aufweist. Darüber hinaus zeigt eine direkte Gegenüberstellung der verschiedenen Batteriearten weitere nennenswerte Unterschiede auf. Die Lithium-Ionen-Technologie besitzt dabei herausragende Eigenschaften in allen aufgeführten Bereichen.

FACHBUCH „AKKUWELT“ Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Buch „Akkuwelt“. Das Fachbuch bietet einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien. Außerdem gibt es einen Einblick in potenzielle und zukünftige Entwicklungstendenzen. Jetzt bestellen

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Elektrotechnik.vogel.de.

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