Ein elektrischer Akkumulator ist ein System zur Speicherung von elektrischer Energie in anderer Form. Sie stützt sich dabei auf eine reversible Energieumwandlungstechnik . Alle Energieumwandlungsprozesse sind komplex und mit Verlusten verbunden.
Das Verhältnis zwischen der Anfangsenergie und der zurückgespeisten Energie ergibt den Umwandlungs-Akkumulations- Wirkungsgrad , der bei Dämmen bestenfalls 80% erreicht . Akkumulatoren, die diesen Wert erreichen, sind nicht transportabel, was den Anwender zu Kompromissen zwingt.
Wir unterscheiden Akkumulatoren nach ihrer Technik:
Elektrische Energie kann daher auf unterschiedliche Weise gespeichert werden.
Unter Berücksichtigung der Grenzen der Techniken der direkten Stromspeicherung bezeichnet das Wort "Akkumulator" hauptsächlich das elektrochemische Gerät, aber die drei anderen Formen der Akkumulation wurden sehr lange für sehr kurze Zeiträume von weniger als einer Sekunde verwendet ( Spule , Kondensator , hauptsächlich zur Umwandlung und Gleichrichtung des Wechselstroms verwendet ). In letzter Zeit haben wir das Aufkommen von technischen Innovationen erlebt, die zuvor undenkbar waren, sowie die Ankündigung neuer Anwendungen für diese Technologien. Gab es zum Beispiel vor den 1980er Jahren keine wirklich effizienten Akku-Bohrmaschinen, haben diese neuen tragbaren Stand-alone-Geräte eine immer höhere Energiedichte. Im Bereich der Superkondensatoren entwickeln sich Anwendungen, die im Wettlauf um die Energiedichte, um bestimmte Anwendungsgebiete und mit sehr kurzen Lade- und Entladezeiten mit konventionellen Technologien konkurrieren.
Die Spannung oder das Potential (in Volt ) ist ein wichtiger Parameter. Bestimmt durch die Oxidations-Reduktion des verwendeten Redoxpaares , liegt sie in der Größenordnung von einigen Volt für einen Gegenstand. Da in der Praxis höhere Spannungen, typischerweise 12, 24 oder sogar 48 V und mehr benötigt werden, um die Spannung zu erhöhen, reicht es aus, Elemente des gleichen Typs innerhalb einer Akkumulatorbatterie in Reihe zu schalten . Dies ist der Ursprung des Begriffs „Batterie“ als gebräuchliches Synonym für die Gruppierung von „Akku“ und im Englischen „Batterie“.
Die elektrische Ladung (die vom Akkumulator gespeicherte Strommenge) wird in Ah (oder mAh : (Milli) Amperestunde ) angegeben. Sie wird in der Praxis gemessen, indem ein konstanter Strom (in Ampere ) mit der Lade-/Entladezeit (in Stunden ) multipliziert wird . Die offizielle Ladungseinheit des Internationalen Einheitensystems (SI) ist jedoch das Coulomb , äquivalent zu einem As (Ampere für eine Sekunde): 1 Ah = 3600 C mit 1 C = 1 ⁄ 3600 Ah = 0,278 mAh . Sie sollte nicht mit gespeicherter Energie verwechselt werden (siehe unten).
Elektrische Ladekapazität, die oft als Akkukapazität ist die elektrische Ladung , die die voll geladene Batterie während eines vollständigen Entlade - Zyklus zur Verfügung stellen kann. Sein theoretischer Anfangswert muss vom Hersteller nach den geltenden Vorschriften angegeben werden (in Ah oder mAh , siehe oben). Sie ist abhängig von der Entladeintensität (nach dem Peukertschen Gesetz ) und nimmt während der Lebensdauer des Akkus ab. Das am häufigsten verwendeten Messverfahren bestehen in der Messung bei einem gegebenen konstanten Entladestrom, die Anzahl der Stunden , in denen der Akkumulator liefert diesen Strom mit einer Spannung größer als die Schwellenspannung (das ist, beispielsweise 0, 9 V für ein NiMH-Akku ). Die mit einem Voltmeter leicht zu messende Leerlaufspannung des Akkus gibt in der Regel keinen zuverlässigen Hinweis auf die Restladung des Akkus, außer bei der Lithium-Ionen-Technologie .
Die in der Batterie gespeicherte Energie entspricht ihrer elektrischen Ladung multipliziert mit der durchschnittlichen Spannung, unter der diese Ladung entladen wird. Gespeicherte Energie wird normalerweise in Wattstunden (Wh) gemessen , aber die offizielle Einheit (SI) ist das Joule .1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 MWh .
Der maximale Durchfluss oder Spitzenstrom eines Akkumulators wird in Ampere gemessen . Sie wird in der Regel in Amplitude und Dauer angegeben und ist in der Regel deutlich größer als der zulässige Dauerdurchfluss.
Die innere Impedanz, ausgedrückt in Ohm , ist die parasitäre Impedanz, die beim Laden und Entladen einen Spannungsabfall verursacht, Verluste durch den Joule-Effekt verursacht und dadurch die Lade- und Entladeströme begrenzt. Da die Akkumulatoren nichtlineare Dipole sind, wird sie im Allgemeinen für kleine Spannungs- und Stromschwankungen (in der Größenordnung von 10 mV für die Spannung) gemessen . Seine Messung erfordert spezielle Geräte. Der Innenwiderstand, der der reale Teil der Impedanz ist, lässt sich mit einem Voltmeter und einem Amperemeter ziemlich einfach messen .
Der maximal tolerierbare Strom beim Aufladen wird in Ampere angegeben, wird aber oft in Ladeeinheiten, d. h. bezogen auf die Kapazität, angegeben. Die Ladeeinheit ist das Verhältnis zwischen dem Ladestrom in A und der Kapazität C in Ah. Ein Wert von 0,5 C entspricht 0,5 A bei einer Kapazität von 1 Ah bzw. 1 A bei einer Kapazität von 2 Ah , und in beiden Fällen einer Ladung von 2 Stunden .
Durch die Nutzung der Batterie durch Laden und anschließendes Entladen entstehen Verluste. Diese Verluste sind durch die Energieeffizienz gekennzeichnet, die in zwei Begriffe unterteilt wird: Coulomb-(Strom-)Wirkungsgrad und Spannungswirkungsgrad.
Nichtbenutzung führt zu Selbstentladungsverlusten . Diese stehen nicht in direktem Zusammenhang mit der gespeicherten Energiemenge, sondern mit der Speicherdauer.
Die Massenenergiedichte ist eine der wichtigen Eigenschaften eines Akkumulators, die der Energiemenge (ausgedrückt in Wh/kg) entspricht, die er im Verhältnis zu seiner Masse wiederherstellen kann.
Die Volumendichte oder Energiedichte ist ein weiteres wichtiges Merkmal und entspricht der Energiemenge (ausgedrückt in Wh / m³), die es im Verhältnis zu seinem Volumen wiederherstellen kann. Wh / dm³ oder Wh / L wird häufiger verwendet.
Die Spitzenleistungsdichte oder spezifische Leistung entspricht der maximalen Leistung bezogen auf die Masse des Akkumulators (ausgedrückt in Watt pro Kilogramm, W / kg). Auf die gleiche Weise kann man die Leistung bezogen auf das Volumen berechnen, weniger verbraucht. Diese spezifische Leistung ist vor allem eine umgekehrte Funktion des Innenwiderstands des Akkumulators.
Die Alterung und Verschleiß verursachen einen allmählichen Verlust der Batteriekapazität im Laufe der Zeit (mehrere Jahre) und Verwendung (mehrere Hunderte oder Tausende von Lade- und Entladezyklen). Sie sind oft stark von den Einsatzbedingungen (Amplitude der Zyklen, Lager- und Einsatztemperatur) abhängig.
Einige Artikel werden nach den Standards der International Electrotechnical Commission (IEC) und des American National Standards Institute (ANSI) hergestellt. Viele physische Formen sind jedoch spezifisch für Batteriehersteller oder entsprechen bestimmten Benutzerbedürfnissen. Dies ist bei den meisten Handy-Akkus der Fall.
Die Kennzeichnung „Rechargeable“ ist bei NiMH- und NiCd-Akkus obligatorisch. Bei unleserlichen oder gelöschten Markierungen auf zylindrischen Zellen unterscheiden sich Akkumulatoren von Alkalibatterien dadurch, dass Akkumulatoren oft einen oberen Pol (+Pol) haben, der von Kunststoff umgeben ist, während Alkalibatterien einen oberen Pol aus Metall haben. Wenn Sie dieses Detail kennen, können Sie Fehler vermeiden, aber die Regel gilt nicht absolut.
Die Nennspannung eines Batteriezellentyp Blei - Säure beträgt 2,1 V . Es ist der elektrische Energiespeicher, der für die Starterbatterie der meisten Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor verwendet wird .
ErfindungDer Bleiakkumulator wurde 1859 von Gaston Planté erfunden, der die Elektrolyse von angesäuertem Wasser beobachtete. Bei dem Versuch , führt bei der Suche nach Materialien wirtschaftlicher als Platin , bemerkte er , dass sein Gerät Elektrizität gab aus , wenn der Stromausfall war; als ob Sauerstoff und Wasserstoff den Strom herstellen könnten, der sie erzeugte. Gaston Planté glaubte, die Brennstoffzelle erfunden zu haben , erkannte aber bald, dass nicht Sauerstoff und Wasserstoff den Strom erzeugten, sondern die chemische Modifikation (Oxidation) der Oberfläche von Blei.
Sein Apparat bestand aus zwei Bleiklingen, die durch Isolierstreifen auseinandergehalten wurden. Um die Oberfläche der Elektroden zu vergrößern, rollte Gaston Planté konzentrisch zwei Bleistreifen auf, die durch zwei Gummi-Abstandshalter voneinander getrennt sind, um jeden Kontakt zwischen ihnen zu vermeiden, die alle in einem mit angesäuertem Wasser gefüllten Glas enthalten sind. Um eine signifikante Entladungskapazität zu erreichen, stellte er fest, dass es notwendig war, die Elektroden einer Reihe von Lade-/Entladezyklen auszusetzen, die er als "Training" bezeichnete.
Vorteile und NachteileDurch den Betrieb des Akkumulators wird kein Blei zerstreut.
Blei ist ein Schadstoff, aber das Recycling von Blei-Säure-Batterien ist einfach. Trotz immer strengerer Vorschriften für den Transport und das Recycling von Batterien, die die Kosten erhöhen und die Rentabilität des Recyclings verringern, erzielt die Recyclingquote von Blei-Säure-Batterien mit 95 % Sammlung und mehr als 65 % Rückgewinnung in trockenem Sekundärrohstoff die besten Rückgewinnungsergebnisse . Der Preis für ein Kilogramm Batterien ist doppelt so hoch wie der Preis für ein Kilogramm Altmetall und ermöglicht somit die Finanzierung des Recyclings, ohne dass eine finanzielle Unterstützung der öffentlichen Hand oder der Verbraucher beantragt werden muss.
Sowohl die Lebensdauer als auch die Leistung einer Blei-Säure-Batterie hängen stark von ihrer Verwendung ab. So haben wir gesehen, dass Batterien nach nur 50 Zyklen den Geist aufgegeben haben, während andere des gleichen Typs mehr als 500 Zyklen gehalten haben . Diese starke Diskrepanz ist teilweise darauf zurückzuführen, dass diese Batterien von der Art des Lade- / Entladezyklus beeinflusst werden, der ihnen auferlegt wird, da sie wissen, dass sie Tiefentladungen nicht sehr schlecht standhalten. Andererseits reicht eine recht rudimentäre Bordspannungsregelung für den heutigen Einsatz aus, beispielsweise bei Automobilen, bei denen die 14,4- V- Regelung in der Lichtmaschine eingebaut ist, die parallel zur 12- V- Batterie montiert ist ; Durch die Begrenzung der Schwebespannung auf 2,3 V pro Zelle kann das Ladegerät dauerhaft angeschlossen bleiben, wobei sich die Ladung selbst in Bezug auf den Strom begrenzt.
Die Nennspannung einer Batteriezelle dieses Typs ist 1,2 V .
Dieser Akkutyp hat einen Memory-Effekt , der es erfordert, dass er im entladenen Zustand (0,6 V ) gespeichert wird . Das Ladeende ist durch eine Änderung der Ladespannung (dv/dt) negativ gekennzeichnet. Es ist dieser Schwellenwert, der von hochwertigen automatischen Ladegeräten erkannt wird, um den Ladevorgang zu stoppen.
Im Vergleich zu Ni-MH kann Ni-Cd höheren Stromspitzen bei der Entladung standhalten ( in der Größenordnung von 100-mal ), aber seine natürliche Entladung ist schneller als die von Ni-MH.
Das Cadmium ist stark umweltschädlich .
Dieser Akkutyp ermöglicht eine größere Anzahl von Lade-/Entladezyklen als Li-Ionen- oder Ni-MH-Akkus (längere Lebensdauer) .
Dieses elektrochemische Paar ist seit mehreren Jahrzehnten eines der am häufigsten verwendeten, um Akkumulatorenbatterien für tragbare Geräte herzustellen.
Für die meisten dieser Anwendungen wird es zugunsten von Ni-Mh und Li-Ion aufgegeben. Trotz des beträchtlichen Anstiegs der Nickelpreise in den letzten Jahren wird sein Markt aufgrund seiner Leistung (insbesondere seiner hohen spezifischen Leistung) in seinen industriellen Anwendungen (Luftfahrt, Eisenbahn, stationäre Anwendungen, wo seine Verwendung genehmigt bleibt) aufrechterhalten.
Die Nennspannung einer Batteriezelle dieses Typs ist 1,2 V . Dieser Akkumulatortyp enthält weder Cadmium noch Blei und ist daher nicht sehr umweltschädlich. Darüber hinaus ist seine spezifische Energie um 40% höher als die von Ni-Cd und sein Memory-Effekt ist sehr gering.
Bei schneller Ladung (Ladestrom mindestens C / 5) ist das Ende der Ladung durch eine sehr schwache negative Spannungsänderung (δv / δt) gekennzeichnet. Diese Spannungsschwankung in der Größenordnung von einigen Millivolt wird von hochwertigen automatischen Ladegeräten erkannt, um den Ladevorgang zu stoppen.
Ni-Zn ist ein seit mehr als 100 Jahren bekanntes Paar , das jedoch aufgrund seiner sehr kurzen Lebensdauer in Zyklen nicht nennenswert industrialisiert werden konnte. Dieses Problem wurde nun durch eine neue Technik zur Stabilisierung der Zinkelektrode zwischen 1998 und 2005 in Frankreich entwickelt wurde, vollständig gelöst .
Ni-Zn stellt nun ein Energie- und Leistungssystem dar, dessen Leistung denen von Ni-Cd und Ni-MH überlegen ist. Es akzeptiert hohe Lade- und Entladeraten. Seine Nennspannung beträgt 1,65 V . Es ist ein robuster, zuverlässiger und absolut sicherer Akkumulator , wartungsfreier Betrieb (wasserdicht). Es enthält keine Schwermetalle und ist am Ende seiner Lebensdauer leicht und vollständig recycelbar.
Seine Zyklenlebensdauer entspricht der von Ni-Cd, seine Selbstentladung und sein Memory-Effekt sind geringer.
Die Herstellung von Ni-Zn-Akkus ist wirtschaftlicher als die anderer alkalischer Akkus (Ni-Cd und Ni-MH).
Der Preisverfall bei Lithiumbatterien, die hinsichtlich Energiedichte , Anzahl der Lade-/Entladezyklen und der Nennspannung (3,7 V gegenüber 1,65 V ) effizienter sind , macht dieser Technologie Schatten. Nickel-Zink-Akkumulatoren haben jedoch Vorteile gegenüber Lithium-basierten Akkus. Tatsächlich erfordern Lithiumbatterien spezielle Schutzschaltungen (Überlast, Tiefentladung und Kurzschluss) und haben eine kürzere Lebensdauer . Schließlich ist ihr Recycling noch nicht gut gemeistert.
Lithium - basierte Akkumulatoren eine sind Technik vor kurzem perfektionierte und noch in der Entwicklung, ein sehr wichtiges präsentiert elektrochemische Potential .
Man unterscheidet zwischen der Lithium-Metall- Technik , bei der die negative Elektrode aus metallischem Lithium besteht (ein Material, das große Sicherheitsprobleme aufwirft, das die Verwendung dieses Materials so wie es einschränkt) und der Lithium-Ionen- Technik , bei der Lithium im ionischen Zustand durch die Verwendung einer Insertionsverbindung sowohl an der negativen Elektrode (in der Regel Graphit ) als auch an der positiven Elektrode.
Lithium-Ionen-Akkus werden manchmal durch ihre Lithium- Polymer- Variante namens Li-Po ersetzt . Das elektrochemische Prinzip ist das gleiche, jedoch friert ein Gel ( Polymer ) den Elektrolyten ein, was es ermöglicht, seinen Behälter auf eine einfache flexible Kunststoffhülle zu reduzieren. Da das Polymer jedoch die Bewegung der Ionen verlangsamt, wird die Fähigkeit, große Ströme zu liefern, verringert, so dass seine spezifische Leistung (siehe Definition oben) im Allgemeinen niedriger ist als die von Li-Ion-Elementen gleicher Kapazität.
Die Lebensdauer dieser Akkus ist umstritten: Bei sehr Consumer-Produkten: Sie kann nach der Herstellung nur zwei bis vier Jahre betragen, unabhängig von der Anzahl der Ladezyklen. Auf der anderen Seite ermöglicht eine professionell orientierte Fertigung zu viel höheren Kosten und die Nutzung einer fortschrittlicheren Managementelektronik eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren mit mehr als 3.000 Zyklen. Der Opportunity- Rover verfügt beispielsweise über einen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku mit seinen Sonnenkollektoren . Es funktionierte über 15 Jahre , trotz intensiver Kälte bei −100 °C auf dem Planeten Mars .
Das Potential der am weitesten verbreitete der Zelle Lithium - Ionen - Akku 3,7 V .
RecyclingDie Schwierigkeiten beim Recycling von Lithium machen es nicht möglich, die derzeit verwendeten Materialien für eine zweite Verwendung chemischer Verbindungen zurückzugewinnen. Die Behandlungstechniken ermöglichen nur die Stabilisierung der gefährlichen Auswirkungen der Materialien, aus denen diese Akkumulatortechnologie besteht. Die Behandlungskosten sind am Ende der Lebensdauer aller Akkumulatoren einer der wichtigsten.
TransportbeschränkungAufgrund der Explosions- und Verbrennungsmöglichkeit dieser Akkumulatoren unterliegen sie Einschränkungen im Lufttransport und sogar besonderen Vorsichtsmaßnahmen in der druckbeaufschlagten Passagierkabine. Offizielle Dokumente: Air France, OFAC, FAA.
Solide Lithium-Ionen-BatterienIm Februar 2018, Saft , eine auf Hightech-Batterien spezialisierte Total- Tochtergesellschaft , gibt die Bildung einer Allianz mit Solvay, Manz und Siemens bekannt, um ein Forschungs-, Entwicklungs- und Industrialisierungsprogramm für feste Lithium-Ionen-Batterien durchzuführen. Der Festelektrolyt macht die Batterien sicherer (durch Eliminierung der Explosionsgefahr), effizienter und kostengünstiger.
Ein von der japanischen Regierung finanziertes Bündnis wurde in Mai 2018die Entwicklung von Feststoffbatterien zu beschleunigen; es umfasst Hersteller (Toyota, Nissan und Honda), Batteriehersteller (Panasonic und GS Yuasa) und Libtec, die japanische Forschungseinrichtung für Lithium-Ionen-Batterien. Ziel ist es, die Reichweite von Elektroautos bis 2030 auf 800 Kilometer zu verdoppeln, mit einem ersten Ziel von 550 Kilometern bis 2025.
Nach 100 Millionen Euro Investition in das kalifornische Start-up QuantumScape, das sich auf die Entwicklung von Feststoffbatterien spezialisiert hat, gibt der Volkswagen Konzern bekannt, ab 2025 den Bau einer Fabrik für diese Batterien zu erwägen; Bei erfolgreicher Industrialisierung ihrer Herstellung wird die Pilotproduktion 2022 oder 2023 anlaufen.
Das 2017 gegründete französische Start-up Tiamat ist in Zusammenarbeit mit dem CEA und dem CNRS dabei, ein neues chemisches Paar zu industrialisieren, die Natrium-Ionen-Batterie. Dies hat den Vorteil, dass nur weit verbreitete Rohstoffe verwendet werden, die kostengünstig und leicht recycelbar sind: Natrium (Bestandteil des Meersalzes) für die eine Elektrode, Aluminium für die andere. Weitere Vorteile, eine angekündigte Lebensdauer von 4000 bis 8000 Zyklen, also zwei- bis viermal mehr als bei Lithiumbatterien und vor allem eine zwei- bis fünfmal höhere Leistungsdichte pro Masseneinheit, die sehr schnelle Aufladungen ermöglicht, kompensierend für Hybrid-Elektroautos und Elektroautos noch geringere Speicherdichte von 40% im Vergleich zum besten Li-Ion.
Eine erste Produktionslinie ist für Ende 2020 in Amiens geplant.
Entgegen den Angaben auf der Verpackung können sogenannte "nicht wiederaufladbare" Alkaline-Batterien unter bestimmten Bedingungen (nicht zu stark entladen, nicht oxidiert, etc. ) und mit einem geeigneten Gerät teilweise bis zu zehnmal regeneriert werden über die Bedingungen. Angesichts dieser begrenzten Zyklenzahl werden Alkalibatterien in der Regel nicht als Akkumulatoren betrachtet.
Bestimmte Modelle verstärkter Alkalibatterien, die üblicherweise als wiederaufladbare Alkalibatterien bezeichnet werden, können als Akkumulatoren angesehen werden .
Magnesium-Schwefel (Mg/S)-Akkumulatoren (eine Technologie, die sich 2019 noch entwickelt) verwenden das Magnesium- Ion als Ladungsträger, das Magnesium-Metall als Anode und Schwefel als Kathode .
Es wirft große Hoffnungen , weil theoretisch die physikalisch - chemischen Eigenschaften des Drehmoments Mg / S es ermöglichen , eine zu schaffen Energiedichte von 1722 Wh / kg , mit einer Spannung von etwa 1,7 V .
Ab 2015 wird zu diesem Thema sehr aktiv geforscht , insbesondere für nicht-nukleophile Elektrolyte, in der Hoffnung, dass diese eine wirtschaftliche und sichere Alternative zu Li-Ionen-Batterien, insbesondere für Elektrofahrzeuge der Zukunft, mit größerer Menge sein werden von gespeichertem Strom. Sie könnten auch von Kathoden mit hoher Kapazität profitieren, die optional unter Hochspannung arbeiten, das Material (basierend auf Schwefel mit dem Magnesiumborhydrid , dem Magnesiumborat oder dem Magnesiumsulfid zum Beispiel) würde eine höhere Energiedichte als bei Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen. Die elektronische Leitfähigkeit der Schwefelkathode kann mit Kohlenstoff dotiert werden (semi-organic Kathodenkomposit).
Magnesium ist in Kontakt mit reinem Sauerstoff brennbar, hat jedoch den Vorteil, dass es reichlich vorhanden, ungiftig, nicht korrosiv ist, sich bei Kontakt mit Luft nicht zersetzt, keine Dendriten bildet wie Lithium-Ionen-Lithium-Batterien.
Das Kalzium scheint eine der billigsten Alternativen zu sein und weniger giftiges Lithium und Kobalt zu sein , das die Lithium-Ionen-Batterien ersetzt, die in Mobiltelefonen und vielen anderen elektronischen Geräten verwendet werden. Die Industrie untersucht Prototypen von Calciumanodenzellen, die Lithiumanodenzellen ersetzen, aber bis 2018 fehlte noch der entsprechende Elektrolyt. 2019 am Helmholtz-Institut in Ulm (Deutschland) haben Zhirong Zhao-Karger et al. konnten zwei Verbindungen aus Calcium und Fluor vereinen , und dieses Material (eine neue Art von Calciumsalz) erweist sich nicht nur als besserer Stromleiter als alle bis dahin bekannten Calcium-Elektrolyte, sondern auch mit höhere Spannung als andere Elektrolyte auf Calciumbasis. Wir hoffen, kostengünstige und effiziente Batterien herstellen zu können, die Strom aus intermittierenden Quellen (Wind und Sonne) speichern können.
Derzeit im Prototypenstadium sind Akkumulatoren auf Brombasis wahrscheinlich fest installierten Anlagen vorbehalten, da sie die Zirkulation des Elektrolyten erfordern und darüber hinaus Brom besonders gefährlich ist.
Die untersuchten Paare sind: Natrium- Brom, Vanadium- Brom und Zink- Brom.
Eine Vanadium-Redox-Batterie (oder Batterie- Redox- Vanadium) ist eine Art wiederaufladbarer Durchflussbatterie, die das Vanadium in verschiedenen Oxidationsstufen zum Speichern der chemischen potentiellen Energie verwendet.
Durch die Verwendung immer größerer Tanks kann die Kapazität nach Belieben erhöht und der Akku über längere Zeit entladen belassen werden, ohne sich zu verschlechtern. Diese Batterien eignen sich gut für Anwendungen, die einen großen Speicher erfordern, eine Reaktion auf Verbrauchsspitzen erfordern oder die Produktion variabler Quellen wie Solar- oder Windkraftanlagen glätten.
Eine Möglichkeit zur Energiespeicherung, die 2014 von Forschern der Harvard University in den USA erforscht wurde, ist eine Batterie mit Chinonen in einem Schwefelsäurebad und einfachen Kohlenstoffelektroden. Chinone weisen eine außergewöhnliche Lade- / Entladegeschwindigkeit auf: Die Chinon-Hydrochinon-Reaktion ist 1.000 Mal schneller als die von Vanadium, und die Kosten wären bescheiden und belaufen sich auf nur 27 USD / kWh (20 € / kWh ), das Drittel der Kosten von Vanadium Batterien.
Batterietechnologie "flüssiges Metall", erfunden von D r Donald Sadoway, Professor am Massachusetts Institute of Technology , durch die entwickelte Start-up Ambri. Jede Zelle besteht aus drei sich spontan trennenden Flüssigkeitsschichten: zwei aus flüssigen Metallen und eine aus geschmolzenem Salz – die aufgrund von Dichteunterschieden und ihrer Unmischbarkeit übereinander schweben . Das System arbeitet mit einer hohen Temperatur, die durch Eigenerwärmung während des Ladens und Entladens aufrechterhalten wird. Das Ergebnis ist ein effizientes und kostengünstiges Speichersystem durch die Verwendung billiger Materialien, die weltweit im Überfluss vorhanden sind, und ein Design, das die Skaleneffekte nutzt, die der Elektrometallurgie und Metallurgie inhärent sind. Das Verfahren ist sehr flexibel: Es kann in wenigen Millisekunden auf Regelsignale reagieren und bis zu zwölf Stunden Energie speichern und langsam wieder abgeben. Flüssigelektroden vermeiden die Nachteile herkömmlicher Batterien, insbesondere den Rückgang der Zyklus-zu-Zyklus-Kapazität, da die Elektroden bei jeder Ladung aufgefüllt werden (Ziel von 98% Kapazität nach 10.000 vollständigen Lade-/Entladezyklen). Die Batterien sind modular aufgebaut und ermöglichen eine maßgeschneiderte Anpassung an verschiedene Anwendungen; Die Zellen sind in kühlschrankgroßen Modulen gestapelt, die in einem 40-Fuß-Container (12 Meter) mit einer Leistung von 500 kW und einer Speicherkapazität von 2 MWh untergebracht sind . Ambri, das 2010 mit Total und Bill Gates als Aktionären gegründet wurde, installierte im Herbst 2013 eine Pilotproduktionslinie, kündigt seinen ersten kommerziellen Prototyp für 2015 an, der für mehrere Pilotkunden in den USA bestimmt ist, und plant, die volle Produktion ab die erste Anlage Ende 2016 mit 130 MWh pro Jahr. Zielmarkt ist die Speicherung von Strom, an vielen Stellen im Netz und zu geringen Kosten, um den massiven Einsatz erneuerbarer Energien durch Ausgleich ihrer Unregelmäßigkeiten zu ermöglichen.
Das australische Unternehmen Graphene Manufacturing Group (GMG) gab im Mai 2021 eine Vereinbarung mit der University of Queensland zur Herstellung von Prototypen von Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien mit Graphen- Kathode bekannt . Für Knopfzellenbatterien (Uhren, Mobiltelefone und andere tragbare Geräte) wäre die Graphen-Aluminium-Ionen-Technologie ab 2022 verfügbar, für die Elektromobilität ab 2024. Diese Batterien würden laut GMG auf 60 oder mehr aufgeladen, 70-mal schneller als aktuelle Lithium-Ionen-Zellen, ohne Heizung, und ihre Lebensdauer wäre doppelt so lang: 2000 Lade-/Entladezyklen. die Energiedichte läge aber nur bei 150-160 Wh/kg gegenüber 250 Wh/kg bei der Lithium-Ionen-Technologie.
Art | Massenenergie Wh / kg |
Volumenenergie Wh / l |
Spannung eines Elements V |
Spitzenleistung W / kg |
Lebensdauer (Anzahl der Aufladungen) |
Effizienz
Strom |
Effizienz
Stromspannung |
Effizienz
energisch |
Selbstentladung in % pro Monat |
Status |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Blei - Säure | 30 - 50 | 75 - 120 | 2,25 | 700 | 400 - 800 | 5 | Produktion | |||
Ni-Fe | 20 - 60 | ? | ? | ? | ? | ~ 30 | Produktion | |||
Li-Ti | 50 - 67 | 75 - 131 | 2.4 | 3000 | 6000 | ? | Produktion | |||
Ni-Cd | 45 - 80 | 80 - 150 | 1,2 | ? | 1.500 - 2.000 | > 20 | Verboten (giftig) | |||
Ni-H 2 | 75 | 60 | 1,25 | ? | ? | ? | ? | |||
Ni-MH | 60 - 110 | 220 - 330 | 1,2 | 900 | 800 - 1.000 | > 30 | Produktion | |||
Ni-Zn | 90 | 280 | 1,60 | 1000 | 200 | > 20 | Produktion | |||
Na-S | 100 - 110 | ? | ? | ? | ? | ? | Produktion | |||
LMP | 110 | 110 | 2.6 | 320 | ? | ? | ? | |||
Li-Po | 100 - 295 | 220 - 330 | 3.7 | 250 | 200 - 300 | 2 | Produktion | |||
Na-NiCl 2 | 140 | 280 | 2.58 | 200 | 3000 | → 100 (12 % / Tag) | Produktion | |||
Alkaline Batterie | 80 - 160 | ? | 1,5 - 1,65 | ? | 25 - 500 | <0,3 | Produktion | |||
LFP | 120 - 140 | 190 - 250 | 3.2 | > 2.000 | 2.000 | 5 | Produktion | |||
Li-Ion | 100 - 265 | 220 - 400 | 3.6 | 1.500 | 500 - 1.000 | 2 | Produktion | |||
Lilie | 400 | 200 | 2,8 | 400 | ? | <1 | Produktion | |||
Na-Ion | 90 | ? | 3.6 | > 3000 | 4000 | ? | F&E | |||
Li-Ni (de) | 935 | ? | 3.49 | ? | ? | ? | ? | |||
Li-Luft | 1.500 - 2.500 | ? | 3.4 | 200 | ? | ? | F&E | |||
Redox-Vanadium | 10 - 20 | 15 - 25 | 1,15 - 1,55 | ? | > 10.000 Zyklen (10 - 20 Jahre) | 85 - 93% | 80 - 90% | 65 - 83% |
Der Li-Po (lymer) Akku ist weniger effizient als der Li-Ion, ist kompakter und wird in unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Daher hat ein Li-Po-Akku der gleichen Größe wie ein Li-Ion-Akku eine größere Kapazität. Die vorherige Tabelle gibt das Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie (in Wh) und der Masse der Batterie (in kg) an. Ein Li-Po-Akku ist jedoch dichter als ein Li-Ion, daher der Unterschied.