Glossar
Hier finden Sie die Erklärung für eine Vielzahl von Begriffen in der Ladetechnik. Siehe dazu auch Erklärungen beim Fraunhofer Insitut für System- und Innovationsforschung.
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Akkumulator
Stromsammler oder -Speicher. Siehe Sekundär System.
Alkalische Zink-Braunstein-Zelle, Alkali-Mangan-Batterie
Primär System, 1,5 V, Zn/KOH/MnO2 .Die am häufigsten eingesetzte Primärbatterie für Kleinverbraucher, gute Belastbarkeit, gute Lagerfähigkeit, preiswert. Einsatz in tragbaren und stationären Geräten mit geringem Leistungsbedarf.
Anode
Elektrode, an der eine elektrochemische Oxidation abläuft. Die Oxidation ist mit der Abgabe von Elektronen verbunden Stromfluss nach außen. Zum Ladungsausgleich erfolgt gleichzeitig im Elektrolyten ein Fluss von Anionen zur Anode.
Achtung! Bei Sekundär Systemen fungiert dieselbe Elektrode als Kathode und als Anode, je nachdem ob das System geladen oder entladen wird!
Batterie
Elektrochemische Energiespeicher werden häufig pauschal als Batterie bezeichnet. Korrekt angewandt bezeichnet der Begriff Batterie ein Kollektiv gleichartiger Objekte - bei elektrochemischen Speichern also einen Verbund von mehreren Zellen, um eine bestimmte Betriebsspannung und/oder Kapazität zu erhalten.
BattV, Batterie-Verordnung
Die deutsche Bundesregierung hat am 27.3.1998 eine Verordnung über die Rücknahme und Entsorgung gebrauchter Batterien und Akkumulatoren erlassen = BattV. In dieser Verordnung werden z.B die Vertreiber zur unentgeltlichen Rücknahme verbrauchter Batterien vom Endverbraucher verpflichtet. Der Endverbraucher wird verpflichtet, schadstoffhaltige Batterien an einen Vertreiber oder an von den öffentlich-rechtlichen Entsorgungsträgern dafür eingerichteten Rücknahmestellen zurückzugeben. Die Batteriehersteller sowie der Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie haben zur diesem Zweck die Stiftung GRS Batterien (Gemeinsames Rücknahme System Batterien) gegründet.
Blei-Säure-Akkumulator, Bleiakkumulator, Starterbatterie (Auto)
Sekundär System, 2,0 V, Pb/H2SO4/PbO2. Offene und geschlossene (gasdichte) Ausführungen. Preisgünstig, überladefähig (offen Bauweise), gute Leistungsdaten. Einsatz als Starterakku in Kfz, als Speicher für Elektrotraktion und für stationäre Speicher in Notstromaggregaten. Der Blei-Säure-Akku ist das am häufigsten eingesetzte Sekundärsystem.
Dissoziation
Dissoziation ist die Fähigkeit bestimmter Chemikalien (Säuren, Laugen, Salze) in einem Lösungsmittel in geladene Teilchen zu zerfallen. So dissoziiert Kochsalz (NaCl) in wässriger Lösung in Natrium- und Chlorid-Ionen:
NaCl Na+ + Cl- Ionen sind im allgemeinen von einer Solvathülle umgeben, d.h. durch v. d. Vaalsche- und elektrostatische Kräfte werden Lösungsmittelmoleküle mehr oder weniger fest an das Ion gebunden.
Elektrochemie
Zweig der Physikalischen Chemie, der sich mit den Phänomenen befasst, die bei der Wechselwirkung von Elektroden mit Elektrolyten auftreten.
Elektrochemische Energiequelle/Speicher
Ein System, das mittels elektrochemischer Reaktionen chemische in elektrische Energie umwandelt oder elektrische Energie in elektrochemisch aktiven Substanzen speichern und wieder abgeben kann: Batterien, Akkumulatoren, Elektrolytkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren, Brennstoffzellen.
Elektrochemische Reaktionen
Heterogene chemische Reaktionen, die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt stattfinden und mit einem Ladungswechsel von Atomen verbunden sind - auch RedOx-Reaktionen genannt: Oxidation entspricht einer Abgabe von Elektronen, Reduktion einer Aufnahme von Elektronen eines Atoms (oder eines Atoms in einem Molekül). Bei der Entladung einer Zink/Braunstein-Zelle (Alkali/Mangan-Batterie) wird das metallische Zink (Zn°) der negativen Elektrode zu einer zweiwertigen Zinkverbindung unter Abgabe von 2 Elektronen oxidiert:
Zn0 Zn2+ + 2 e-
Elektrochemische Spannungsreihe
Tabellierte Werte der Spannungsdifferenz von elektrochemischen Halbelementen (Elektroden) gegenüber dem Bezugspotential der Normal Wasserstoffelektrode. Elektrochemisch aktive Substanzen bilden beim Kontakt zu einem Elektrolyten, der Ionen aus der Auflösung der Substanz enthält, ein Gleichgewichtspotential aus, d.h. pro Zeiteinheit gehen z.B. gleich viele Ionen unter Abgabe von Elektronen in Lösung wie umgekehrt sich durch Aufnahme von Elektronen wieder abscheiden. Taucht eine Elektrode in eine 1-aktive Lösung der zugehörigen Ionen ein, so spricht man von dem Normalpotential. Die Position eines Metalls innerhalb der Spannungsreihe zeigt die Neigung des Metalls an, unter Abgabe von Elektronen in Lösung zu gehen. Die gegenüber der Normal Wasserstoffelektrode stark negativen Alkalimetalle reagieren z.B. heftig mit Wasser unter Bildung von Laugen und Reduktion des Wassers zu Wasserstoffgas, d.h. Alkalimetalle geben sehr leicht Elektronen ab während das Edelmetall Gold in der Erdkruste über Millionen von Jahren elementar ohne Reaktion verbleibt.
Anhand der elektrochemischen Spannungsreihe lässt sich durch Addition der Zahlenwerte leicht die Spannung (EMK) einer Kombination von Halbelementen ermitteln.
Elektrochemisches Element
Ein System aus zwei Elektroden unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung die in einen Elektrolyten eintauchen. So lange das Element nicht entladen wird, ist zwischen den Elektroden eine Spannungsdifferenz messbar. Werden die Elektroden durch einen Elektronenleiter (z.B. Kupferdraht) verbunden, so fließt durch diesen Leiter ein elektrischer Strom. Ein Halbelement besteht nur aus einer Elektrode.
Jede Zelle einer Batterie ist ein elektrochemisches Element. Es gibt aber auch sogenannte Normalelemente die früher als Spannungsnormal dienten, z.B. das Weston- oder Cadmium-Normalelement mit einer Spannung von 1,01830 Volt bei 20 °C
Elektrode
Positive oder negative Elektrode = der Teil einer elektrochemischen Zelle, an oder in der elektrochemische Reaktionen unter Aufnahme oder Abgabe von Elektronen ablaufen. Eine Elektrode kann aus einem reinen elektrisch leitenden, chemischen Element bestehen (z.B. Zinkblech) oder aus einer speziell gefertigten aktiven Masse mit mehreren Bestandteilen [z.B. der elektrochemisch aktiven Masse Lithiumkobaltdioxid, sowie Stromkollektor, Grafitpulver (zur Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit), Polyvinylidenfluorid (als mechanisches Bindemittel), usw.].
Elektrolyt
Bei elektrochemischen Reaktionen werden von den aktiven Massen stets Ionen aufgenommen oder abgegeben. In einer elektrochemischen Zelle ist damit unter Belastung (Stromfluss durch einen externen Verbraucher z.B. Glühlampe) ein Transport von Ionen von der einen zur anderen Elektrode erforderlich. Dieser Transport erfolgt durch ein Medium, das die Ionen in ausreichender Konzentration und Beweglichkeit enthält. Ein Elektrolyt kann eine keramische Festsubstanz, ein Polymer mit ionogenen Gruppen oder eine Flüssigkeit mit einem gelösten, dissoziierten Leitsalz sein. Zum Stromfluß außerhalb der Zelle durch den Verbraucher gehört der Ladungstransport durch Ionen innerhalb der Zelle.
EMK
Elektromotorische Kraft = Spannung [Volt] die ein elektrochemisches Element ohne Belastung abgibt.
Entladeschlussspannung
Beim Erreichen dieses Spannungswertes [V] sind die energieliefernden elektrochemisch aktiven Substanzen einer elektrochemischen Energiequelle nahezu komplett umgesetzt - die Batterie ist "leer". Primär Systeme müssen ersetzt, Sekundär Systeme wieder aufgeladen werden. Bei einigen Sekundär Systemen darf diese Spannung nicht unterschritten werden, da sonst schädliche Prozesse in den Zellen ablaufen können.
Erhaltungsladung
Die Erhaltungsladung sorgt nach Ladeende für einen maximalen Ladezustand der Batterie so lange sie am Ladegerät angeschlossen ist.
Festelektrolyt
Ionenleitender Festkörper. In Hochtemperatur-Akkumulatoren vom Natrium/Schwefel-Typ werden Rohre oder Becher aus ß-Aluminiumoxid als Elektrolyt und Separator verwendet. Das ß-Aluminiumoxid ist bei Temperaturen >300 °C ausreichend natriumionenleitend. Ein anderes Beispiel ist das bereits bei Raumtemperatur silberionenleitende Rubidiumsilberjodid (RbAg4J5), das in den sehr langlebigen Silber/Jod Primärzellen als Festelektrolyt verwendet wird.
Größenkennzeichnung von Rundzellen
Es gibt zwar internationale Normen für die Kennzeichnung von Zellengrößen, diese sind jedoch nicht bindend, sodass die Hersteller auch eigene Nomenklaturen verwenden. Im wesentlichen werden drei Systeme eingesetzt: ANSI-, IEC- und Konsumenten-Nomenklatur (letztere besteht aus Bezeichnungen wie ‚Micro' und ‚Mono'). Japanische Hersteller haben vor allem für Li-Ion-Zellen eine einfache Nomenklatur eingeführt, die direkt die Maße in mm als Typbezeichner verwendet. Der weitverbreitete zylindrische Zelltyp 18650 hat demnach die Maße: Ø 18 mm, Höhe 65 mm. Der prismatische Typ 344814 hat die Maße: Länge 34 mm, Breite 48 mm, Höhe 14 mm.
Hauptladung
In dieser Phase wird mit dem eingestellten Maximalstrom die Batterie bis ca. 90 % ihrer Kapazität geladen.
Innenwiderstand
Summe der Widerstände, die die Komponenten einer elektrochemischen Zelle dem Fluss des elektrischen Stroms entgegensetzen. Am Innenwiderstand kann während der Entladung/Ladung ein beträchtlicher Spannungsabfall auftreten => Verringerung/Anstieg der Klemmenspannung, Erwärmung. Komponenten: Polarisationwiderstand der elektrochemischen Reaktionen, der Ionenflusswiderstand im Elektrolyten und am Separator; ohmsche Widerstände in den Elektrodenanschlüssen, dem Stromkollektor und in der aktiven Masse usw. Bei Batterien kommen noch die Widerstände der Zellverbinder und Anschlüsse hinzu.
IoIa-Laden
Anfangsladung mit erhöhtem Konstantstrom bis bei offenen Blei-Säure-Akkumulatoren die Gasungsspannung erreicht ist (Io). Danach wird mit einem niedrigeren Konstantstrom weitergeladen und nach Erreichen der Ladeschlussspannung automatisch abgeschaltet (Ia).
Ionen
Elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Die elektrische Überschussladung entsteht durch die Wertigkeitsänderung eines Atoms (als Bestandteil eines Moleküls) die mit der Abgabe oder Aufnahme von Elektronen verbunden ist. Kationen sind positiv geladene, Anionen sind negativ geladene Ionen. Über Ionen erfolgt der Ladungstransport innerhalb einer elektrochemischen Zelle. In einem Elektrolyten wird die Ladung der Ionen stets durch die entsprechende Menge an Gegenionen kompensiert, d.h. der Elektrolyt ist elektrisch neutral.
Anionen: SO42- (Sulfat), Cl- (Chlorid).Kationen: H3O+ (Wasserstoff), Ca2+ (Calcium), Zn2+ (Zink), Li+ (Lithium).
Ionenaktivität
Wirkkonzentration der freien Ionen einer Substanz in Lösung. Die Ionenaktivität entspricht nur bei sehr verdünnten Lösungen und den Salzen von starken Säuren oder Laugen der Stoffkonzentration. Bei höheren Konzentrationen muss der Dissoziationsgrad berücksichtigt werden, da die Substanzen z. T. auch undissoziiert in der Lösung vorliegen können.
IUIa-Laden
Bei offenen Blei-Säure-Akkumulatoren wird mit konstantem Strom bis zur Gasungsspannung geladen (I). Die erreichte Spannung wird dann bei abfallendem Strom konstant gehalten, bis eine vorgegebene Stromstärke erreicht ist (U). Diese wird bei wieder ansteigender Spannung konstant gehalten bis die Abschaltspannung erreicht ist (Ia).
IU-Laden
Bei offenen Blei-Säure-Akkumulatoren wird bis zum Erreichen der Gasungsspannung mit konstantem Strom (I) oder mit abfallendem Strom geladen. Ab ca. 2,4 V/Zelle wird diese Spannung konstant gehalten (U) und dadurch mit abfallendem Strom weitergeladen. Für moderne Li-Ion-Akkus wird ein vergleichbares Ladeverfahren angewandt, bei dem der Ladestrom begrenzt wird und aus Sicherheitsgründen auch die Batterietemperatur gemessen und berücksichtigt wird. Da in diesen Systemen keine reversible Überladereaktion existiert, muss die systemabhängige Ladeschlussspannung präzise eingehalten werden und darf keinesfalls überschritten werden. Eine Überschreitung der Ladeschlussspannung kann zur Zerstörung der Batterie führen. Wegen dieser rigorosen Betriebsbedingungen liefern die Hersteller diese Akkumulatoren nur komplett mit in das Gehäuse integrierten Kontrollschaltungen aus.
IUW-Laden
Bei offenen Blei-Säure-Akkumulatoren wird gegen Ende des Ladevorgangs die Spannung über die Gasungsspannung erhöht. Zweck dieses Verfahrens ist die Beschleunigung der Ausgleichsvorgäge in der Batterie.
Kapazität
Strommenge [Ah], die unter Nennbelastung aus einer elektrochemischen Energiequelle entnommen werden kann. Nennbelastung [A] x Zeit bis Erreichen der Entladeschlussspannung [h]
Kathode
Elektrode an der eine elektrochemische Reduktion abläuft. Die Reduktion ist mit der Aufnahme von Elektronen verbunden : Stromfluss von außen in die Elektrode. Zum Ladungsausgleich erfolgt gleichzeitig im Elektrolyten ein Fluss von Kationen zur Kathode.
Achtung! Bei Sekundär Systemen fungiert dieselbe Elektrode als Kathode und als Anode, je nachdem ob das System geladen oder entladen wird!
Lademethoden
Abhängig vom elektrochemischen System und von der Bauart werden für die Wiederaufladung von Akkumulatoren unterschiedliche Methoden zur zeitlichen Kontrolle und zum Verlauf des Ladestroms und der Ladespannung eingesetzt. Die Abkürzungen für die gebräuchlichsten Methoden für Blei-Säure-Akkus sind: IU, IUW, IUIa, IoIa und W (Erläuterungen siehe dort). Prozessorgeregelte Ladegeräte von Steca passen sich automatisch den elektrochemischen Systemen und Batteriegrößen an. Manche Geräte gestatten auch eine Tiefentladung vor dem eigentlichen Ladevorgang um den Memory-Effekt bei NiCd-Zellen zu vermeiden.
Ladeoptimierung
Sie bewirkt eine Säureumschichtung und gleicht somit die Säuredichte innerhalb der einzelnen Zellen einer Batterie aus.
Ladeschlussspannung
Der Spannungswert [V], der beim Laden eines Akkumulators nicht überschritten werden darf, z.B. 2,35 V/Zelle bei einem geschlossenen Blei-Akkumulator. Wird die Ladeschlussspannung überschritten, so laufen in den Zellen unerwünschte Reaktionen ab, z.B. wird bei einem offenen Blei-Säure-Akku unnötig viel Wasser zersetzt und der Akku wird zu warm (Wartung, Lebensdauer, Knallgasbildung). Bei anderen Sekundär Systemen kann es zu irreversiblen Reaktionen mit Zersetzung des Elektrolyten kommen. Bei geschlossen Blei-Akkus bilden sich Blasen in dem gelartigen Elektrolyten die den Innenwiderstand stark erhöhen und zusätzlich zu einem unzulässigen Druckanstieg in der Zelle führen. Bei Lithium-Akkumulatoren besteht die Gefahr, dass sich fein verteiltes, metallisches Lithium abscheidet. Dieses Lithium reagiert besonders leicht mit dem Elektrolyten und ist u.U. pyrophor. Überschreiten der Ladespannung kann auch zum ‚thermal runaway' führen.
Ladestromfaktor
Verhältnis des maximalen Ladestromfaktors zur eingestellten Batteriekapazität. Ladestromfaktor 0,3 bei 100 Ah bedeutet, dass der Ladestrom 0,31 A / Ah x 100 Ah = 30 A beträgt.
Leclanché-Element, Zn-Braunstein-Batterie, Trockenbatterie
Primär System, 1,5 V, Zn/NH4Cl/MnO2(C). Das 1866 eingeführte Standard Leclanché-Element wird heute wegen des hohen Quecksilbergehaltes in der Zinkelektrode kaum mehr verwendet - Ablösung durch die Alkali-Mangan-Zellen. Einsatz als preiswerte Primärzelle im Bereich kleiner Leistungen und intermittierendem Betrieb. Beim Entladen wird Elektrolyt verbraucht und fest => Trockenbatterie.
Leistungsvolumen
Leistung pro Volumen = [W/l]Nennbelastung [A] x mittlere Entladespannung [V] / Volumen [l]
Lithium Ion Akkumulator, Li Ion Batterie
Sekundär System, 3,6 V, Li(C)/organ. Lösungsmittel,Li-Salz/LiCoO2.
Seit der Einführung 1992 durch SONY weit verbreitetes Lithium System für tragbare Geräte (Mobilfunk, Notebook-PC usw.). Weiterentwicklung zu Großbatterien bis 40 Ah für Elektrotraktion. Das wiederaufladbare Batteriesystem mit den besten Daten im Verhältnis gespeicherte Energiemenge pro Gewicht am Markt.
Lithium Polymer Akkumulator
Sekundär System, 3,7 V, Li(C)/ polym. Elektrolyt/LiCoO2. Lithiumakkumulator mit fester bis gelartiger, polymerer Elektrolytschicht, die bei guter Leitfähigkeit für Lithiumionen die elektrische Trennung (Separator) der Elektroden und den Verbund der Zellbestandteile gewährleistet. Dieser Zellaufbau gestattet die Fertigung von dünnen Folienbatterien und damit eine günstige Formgestaltung für den Einbau in transportable Geräte.
Lithium/Lithiumcobaltoxid-Akkumulator mit anorg. Elektrolytlösung
Sekundär System, 3,9 V, Li/LiAlCl4×SO2/LiCoO2. Lithium/Lithiumcobaltoxid-Akkumulator mit anorganischer Elektrolytlösung (Solvatkomplex aus in flüssigem Schwefeldioxid gelöstem Lithiumtetrachloroaluminat). Im Entwicklungsstadium für Hochleistungsanwendungen (Fraunhofer Institut Chemische Technologie, ICT, Pfinztal). Überladefähig.
Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Zelle
Primär System, 3,0 V, Li/organ. Lösungsmittel, LiBF4/CFx. Lithiumzelle mit fester Kathode aus Kohlenstoffmonofluorid. Elektrolytlösungen mit den Leitsalzen Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) oder Lithiumarsenfluorid (LiAsF4) gelöst in organischen Lösungsmitteln wie Butyrolacton, Tetrahydrofuran (THF), Propylencarbonat (PC), Dimethylsulfid (DMSI) und Dimethoxyethan (DME). Hoher Energieinhalt, geringe Selbstentladung. Einsatz vor allem für Geräte mit geringem Strombedarf und langer Einsatzdauer.
Lithium-Mangandioxid-Zelle, Li/MnO2-Zelle
Primär System, 2,8 V, Li/organ. Lösungsmittel, LiClO4/MnO2. Lithiumzelle mit hohem Energieinhalt und gutem Tieftemperaturverhalten. Kostengünstig. Enthält keine Schwermetalle. Einsatz für tragbare Geräte und Pufferbatterien.
Lithium-Schwefeldioxid-Zelle
Primär System, 2,8 V, Li/Acetonitril,LiBr/SO2(C). Lithiumzelle mit hohem Energieinhalt, hoher Belastbarkeit und gutem Tieftemperaturverhalten. Wird wegen der potentiellen Risiken (brennbar, Schwefeldioxid, metallisches Lithium) fast nur im militärischen Sektor eingesetzt.
Lithium-Thionylchlorid-Zelle
Primär System, 3,4 V, Li/LiAlCl4 in SOCl2 /SOCl2(C). Lithiumzelle mit flüssiger Kathode, sehr hohem Energieinhalt, geringer Selbstentladung und gutem Tieftemperaturverhalten. Wird wegen der aggresiven Inhaltstoffe weitgehend nur im militärischen Bereich eingesetzt.
Memory-Effekt
Der Memory -Effekt ist ein Phänomen, das vor allem an NiCd-Akkumulatoren beobachtet wird die ständig an ein Ladegerät angeschlossen bleiben. Er tritt aber auch in geringerem Maße bei Ni-Metallhydrid- und anderen Sekundär Systemen auf. Bei diesem reversiblen Effekt scheint sich ein Akkumulator daran zu erinnern, dass er in der Vergangenheit immer nur mit z.B. 10 % seiner Kapazität entladen wurde. Soll die volle Nennkapazität entnommen werden so bricht die Klemmenspannung deutlich ein und Kontrollgeräte behaupten der Akku sei leer. Dieser Effekt lässt sich durch gelegentliches Tiefentladen vermeiden - moderne Ladegeräte haben daher die Möglichkeit, die Zellen vor dem Ladevorgang völlig zu entladen.
Ursache: Beim NiCd-Akku verursachen zwei Prozesse dieses Verhalten. Einmal werden, wenn die Zelle ständig geladen wird, die Cadmium-Kristallite in der negativen Elektrode ständig größer und damit die elektrochemische aktive Oberfläche kleiner. Bei einer Elektrode mit kleinerer aktiver Oberfläche tritt unter Strombelastung eine stärkere Polarisierung (Spannungsabfall) auf. Der zweite Prozess bildet bei den erhöhten Temperaturen einer ständig geladenen Zelle die intermetallische Verbindung Ni5Cd21, die erst bei einem um 100 - 120 mV tieferen Potential entladen werden kann. Beide Prozesse lassen sich durch die Tiefentladung umkehren.
Nachladung
Nach erreichen der Ladeendspannung wird die Nachladung gestartet, in der die Batterie auf 100 % ihrer Nennkapazität aufgeladen wird.
Negativer Pol
Der Zellenanschluß, aus dem bei einer Entladung einer Batterie im äußeren Stromkreis Elektronen zum positiven Pol fließen. Bei manchen Batterien ist dieser Pol mit einem - Zeichen und/oder blauer oder schwarzer Farbe gekennzeichnet.
Nennlast, Nennbelastung
Der Dauerstrom [A] auf den die Batterie technisch ausgelegt ist. Durch ihre Bauart kann eine sonst gleich große Batterie an verschiedene Belastungszustände angepasst werden. Die Nennbelastung gibt einen Stromwert an, bei dem günstige Betriebsbedingungen vorliegen und die Zellen z.B. nicht zu warm werden und die Lebensdauer und die entnehmbare Kapazität den erwarteten Werten entspricht.
Nennspannung
Batterie- oder Zellspannung in Volt [V] unter Nennbelastung (Nennstrom). Im Gegensatz hierzu die Leerlaufspannung oder EMK Die Angaben sind meist etwas willkürlich. Gemeint ist üblicherweise die typische Spannung unter den gebräuchlichsten Einsatzbedingungen.
Nickel-Cadmium-Akkumulator, NiCd-Akku
Sekundärsystem, 1,2 V, Cd/KOH/NiOOH. Robustes, alkalisches Sekundär System. Tiefentladefähig, überladbar, lange Haltbarkeit im entladenen Zustand, offene und geschlossene (gasdichte) Bauweise, gute Lebensdauer, gute Leistungsdaten. Einsatz für tragbare Geräte und stationäre Notstromanlagen.
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, NiMH-Akku
Sekundärsystem, 1,2 V, MH/KOH/NiOOH. Robustes, alkalisches Sekundär System. System- und Spannungskompatibel mit NiCd-Akku. Tiefentladefähig, überladbar, lange Haltbarkeit im entladenen Zustand, geschlossene (gasdichte) Bauweise, gute Lebensdauer, gute Leistungsdaten, hohe spez. Energie. Einsatz für tragbare Geräte und Elektrotraktion.
Normalwasserstoffelektrode
Bezugspunkt der elektrochemischen Potentialskala, der elektrochemischen Spannungsreihe.
Definition: Halbelement aus einer Elektrode aus platiniertem Platin das in eine wässrige Lösung eintaucht, deren H+-Ionenaktivität gleich 1 ist und die mit reinem Wasserstoffgas unter einem Druck von 1013,24 mbar umspült wird. Dieser Bezugspunkt wird per Definition gleich Null gesetzt und dient zum Bestimmen der Potentiale anderer Elektroden.
Polymerelektrolyt
Polymerelektrolyte bestehen aus einem dreidimensionalen Netzwerk von organischen Makromolekülen, bei denen an das fadenförmige Grundgerüst dissozierfähige funktionelle Gruppen chemisch fest gebunden sind. Das Material besteht also aus sogenannten Festionen, z.B. Sulfonsäuregruppen am Polymergerüst und freibeweglichen Lithium-Ionen. Durch eine solche Kunststofffolie können in einem Lithiumakkumulator Lithiumionen fließen. Die Folie ist jedoch nicht elektronenleitend und isoliert damit die positive von der negative Elektrode als Separator. Als Polymerelektrolyt werden häufig auch Polymer-Netzwerke bezeichnet, die in ihrer molekularer Porenstruktur eine zusätzliche flüssige, organischen Phase enthalten, in der Leitsalzen gelöst sind.
Positiver Pol
Der Zellenanschluss, zu dem bei einer Entladung einer Batterie im äußeren Stromkreis Elektronen aus dem negativen Pol fließen. Bei den meisten Batterien ist dieser Pol mit einem + Zeichen und/oder roter Farbe gekennzeichnet.
Potential, elektrochemisches
Elektrochemisch aktive Substanzen bilden beim Kontakt mit einem Elektrolyten ein elektrochemisches Potential aus. Das Potential ist ein Maß für die Elektroaffinität der Substanz, d.h. je negativer das Potential ist, um so größer die Tendenz der Substanz Elektronen abzugeben und Kationen zu bilden. So lösen sich z.B. die Alkalimetalle bei Kontakt mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung (Wasser wird reduziert) auf, während die Edelmetalle Gold oder Silber keine Reaktion zeigen. Einzelne Potentiale können nicht gemessen werden. Ein elektrochemisches Potential wird stets im Vergleich zu einer Bezugselektrode bestimmt. Der Bezugspunkt der gesamten elektrochemischen Spannungsreihe ist die Normalwasserstoffelektrode.
Primär System
Elektrochemischer Energiespeicher, bei dem chemische Energie mittels elektrochemischer Reaktionen in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei einem Primär System sind die ablaufenden Reaktion irreversibel, d.h. eine Primär Zelle kann nur einmal entladen werden.
Sekundär System
Akkumulator. Elektrochemischer Energiespeicher, bei dem chemische Energie mittels elektrochemischer Reaktionen in elektrische Energie umgewandelt wird. Da die Reaktionen reversibel sind, ist auch der umgekehrte Vorgang möglich. Die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung abgelaufen sind, können durch Anlegen einer äußeren Spannung umgekehrt werden - der Akkumulator kann wieder aufgeladen werden. Beispiele: siehe NiCd-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator.
Separator
Der Separator trennt zwei Elektroden eines elektrochemischen Elements zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Elektroden. Der Separator muss also aus elektrisch nicht leitendem Material und gleichzeitig ionendurchlässig sein. Meist kommen poröse Folien aus Kunststoffen wie Polypropylen oder Polyvinylchlorid zum Einsatz, auch Matten aus Glasfasern werden eingesetzt. Das Material muss in der Zellumgebung chemisch inert und mechanisch ausreichend stabil sein. Ein Sonderfall sind Polymer- oder Festelektrolyte wie ß-Aluminiumoxid , hier übernimmt der Elektrolyt auch die Funktion des Separators.
Silber-Zink-Akkumulator
Sekundär System, 1,5 V, Zn/KOH/Ag2O. Wiederaufladbare alkalische Hochleistungs-Zelle. Die Lebensdauer/Zyklenzahl ist bei Vollentladung relativ niedrig (20 bis 150). Hohe Kosten (Silberelektroden). Einsatz für Hochleistungsanwendungen und als aktivierbare Primärbatterie im militärischen Bereich (Torpedoantrieb).
Spezifische Energie
Energiemenge pro Gewicht = [Wh/kg], mittlere Entladespannung [V] x Strom [A] x Zeit [h] / Gewicht [kg]
Spezifische Leistung
Leistung pro Gewicht = [W/kg], mittlere Entladespannung [V] x Strom [A] / Gewicht [kg]
Spezifisches Volumen, Energiedichte
Energiemenge pro Volumen = [Wh/l]mittlere Entladespannung [V] x Strom [A] x Zeit bis zum Erreichen der Entladeschlussspannung [h] / Volumen [l]
Stromkollektor
Die aktiven Massen in Elektroden haben häufig eine relativ schlechte elektronische Leitfähigkeit. Damit der Spannungsabfall in einer Elektrode gering bleibt wird die Elektrodenmasse mit einem gut leitenden Stromkollektor verbunden. Dieser besteht z.B. aus einem dünnen Blech oder Netz aus gut elektronisch leitenden Metall.
Thermal runaway, thermisches Durchgehen
Mit diesen Begriffen wird das in extremen Situationen auftretende Überhitzen und Zerstören von Primär- und Sekundär-Zellen bezeichnet. Ein thermal runaway' tritt durch übermäßige und sich selbst verstärkende Wärmeproduktion in den Zellen, und/oder mangelhafte Wärmeabfuhr an die Umgebung auf und kann zu Feuer und Explosionen führen.
Ursachen: Werden z.B. NiCd-Zellen mit einer Konstantspannungsquelle ohne Strombegrenzung geladen so erwärmen sie sich gegen Ladeschluss. Mit der Erwärmung sinkt der Elektrolytwiderstand - dadurch steigt der Strom an und die Erwärmung nimmt zu. Parallell sinkt mit höherer Temperatur die EMK der Zelle ab, was wiederum einen Anstieg des Stroms bewirkt. Diese Vorgänge sind also selbstverstärkend und können zur Zerstörung der Zellen führen. Ladegeräte begrenzen daher den Strom und/oder die Ladezeit. Bei größeren Ladestationen kann auch die Zelltemperatur zur Regelung des Ladevorgangs herangezogen werden. Lithium Primär und Sekundär Zellen haben einen hohen Energieinhalt. Sie enthalten Substanzen (organische Lösungsmittel, Metalloxide usw.) die chemisch miteinander zu reagieren vermögen und dies lediglich infolge kinetischer Hemmung (geringe Reaktionsgeschwindigkeit) und niedriger Temperatur nicht tun. Mit zunehmender Zelltemperatur (120 °C) beginnen diese internen Reaktionen jedoch in nennenswertem Umfang abzulaufen und liefern u.U. soviel Wärme, dass diese nicht mehr an die Umgebung abgeführt werden kann. Damit heizt sich die Zelle auch ohne elektrische Belastung weiter auf, die Temperatur steigt und die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu. Mit zunehmender Reaktionsgeschwindigkeit wird noch schneller Wärme produziert die nicht abgeführt werden kann, und der sich sebstverstärkende Vorgang endet in einem Versagen der Batterie.
Überladereaktion
Elektrochemische Reaktion die u.U. gegen Schluss der Aufladung eines Akkumulators einsetzt. Die zur Energiespeicherung vorgesehenen elektrochemischen Reaktionen sind dann weitgehend abgeschlossen und eine weitere Stromzufuhr bewirkt die Überladereaktion, z.B. die elektrochemische Zersetzung der Schwefelsäure im offenen Blei-Säure-Akkumulator in Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas, Explosionsgefahr!).
Vorsicht! Nicht alle Akkumulatoren sind überladefähig.
Obwohl die Überladereaktion den Gesamtwirkungsgrad der Energiespeicherung verringert, wird dies beim offenen Blei-Säure-Akkumulator inkauf genommen. Die Batterien werden beim Laden über einen begrenzten Zeitraum mit diese Gasungsreaktion betrieben damit die Umsetzung vollständig und die Batteriesäure gut durchmischt wird.
Vorladung
Die Vorladung baut Sulfatierungen an vorgeschädigten Batterien ab und wird eingeleitet, wenn Batterien eine niedrige Spannung beim Anschluss des Ladegerätes haben und nach Beginn der Ladung nur einen geringen Strom aufnehmen.
W-Laden
Während des Ladeverlaufs fällt der Ladestrom mit ansteigender Batteriespannung auf den Ladeschlussstrom ab und wird dann automatisch (Wa) oder von Hand abgeschaltet (W). Ladegeräte mit W-Kennlinie sind bei Steca nicht erhältlich, da diese nur für unprofessionelle Anwendungen geeignet sind. Steca bietet nur prozessorgeregelte Ladegeräte an.
Zelle, elektrochemische
Jeder elektrochemische Energiespeicher besteht mindestens aus einer Zelle, d.h. ein Behältnis das zwei Elektroden enthält, die in innigem Kontakt zu einem Elektrolyten stehen und an denen die elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die Elektroden werden elektrisch durch einen Separator getrennt. Zellen werden in geschlossener, gasdichter und in offener Bauweise hergestellt. Aus dem Gehäuse werden zwei gegeneinander elektrisch isolierte Elektrodenanschlüsse geführt, der positive und der negative Pol. Bei der Verbindung der beiden Pole mit einem elektronischen Leiter (Verbraucher, Glühbirne) fließt durch diesen ein elektrischer Strom.
Zink-Braunstein-Batterie, Zink-Mangandioxid-Zelle, Trockenbatterie
Primär System, 1,5 V, Zn/ZnCl2/MnO2(C). Weiterentwicklung des Leclanché-Elements für höhere Belastbarkeit - das Ammoniumchlorid im Elektrolyten wird weitgehend durch Zinkchlorid ersetzt. Die dadurch erhöhte Zn-Korrosion wird durch Inhibitoren verhindert (früher Quecksilberchlorid und Cadmium, heute mehr organ. Chemikalien). Für niedrige Strombelastung aber auch Dauerbetrieb geeignet. Das System wird wie das Leclanché-Element durch das Alkalimangansystem verdrängt (bessere Belastbarkeit und geringere Selbstentladung).