Gefördert durch: Gefördert durch: • Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im BMWi Förderprogramm IKT für Elektromobilität II: Smart Car - Smart Grid - Smart Traffic Grundlagen, Bewertungskriterien, Gesetze und Normen

Autoren: Ehsan Rahimzei (VDE) Kerstin Sann (VDE/DKE*) Dr. Moritz Vogel (VDE) Mit fachlicher Unterstützung von: Dr. Kai-Christian Möller (Fraunhofer ICT) Dr. Thomas Becks (VDE) Dr. Stefan Heusinger (VDE/DKE*) Dirk Braun (Bridging IT GmbH) Kontakt: Wir sind an der kontinuierlichen Verbesserung unserer Arbeiten interessiert. Bitte weden Sie sich im Falle von Ergänzungsvorschlägen, Kritik oder Lob an Herrn Ehsan Rahimzei (VDE): [email protected] VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main *Deutsche Kommision Elektrotechnik Elektronik...

An die Leser des Kompendiums Li-Ionen-Batterien Wichtige Hinweise zum Kompendium Li-Ionen-Batterien: Das Kompendium richtet sich an interessierte Laien und mögliche Anwender im Themenbereich Li-Ionen-Batterien, das den Stand von 2014/15 wiedergibt. Eine Überarbeitung durch den VDE ist geplant. Die Nutzung des Kompendiums als Quelle in Fachartikeln, Studien oder als alleinige Entscheidungsvorlage ohne vollständige Berücksichtigung der aktuellen Quellenlage sehen wir daher als kritisch an. Durch die Komplexität des Themas wurde das Kompendium bewusst als Einstieg für Laien und Anwender, nicht aber...

I Kompendium: Li-Ionen-Batterie Inhaltsverzeichnis

Kompendium: Li-Ionen-Batterie

Kompendium: Li-Ionen-Batterie Abkürzungsverzeichnis ADR Accord europeen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route, zu dt. Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße BattG Batterie-Gesetz BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BEV Battery Electric Vehicle, zu dt. batterieelektrisch betriebenes Fahrzeug BMS Battery Management System BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BoL Beginn of Life, zu dt. Lebensdaueranfang CID Current Interrupt Device C-Rate zu dt. Lade- oder Entladerate, Stromstärke...

Kompendium: Li-Ionen-Batterie M5BAT Modularer multi-Megawatt multi-Technologie Mittelspannungsbatteriespeicher PHEV Plug-In-Hybrid Electric Vehicle PTC Positive Temperature Coefficient RID Reglement concernant le transport international ferroviaire de marchandises Dangereuses, zu dt. Ordnung über die internationale Eisenbahnbeförderung gefährlicher Güter RoHS Restriction of Hazardous Substances SOC State of Charge, zu dt. Ladezustand SOH State of Health, zu dt. Gesundheitszustand SEI Solid Electrolyte Interphase ZVEI Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e. V.

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Kompendium: Li-Ionen-Batterie Tabellenverzeichnis Tabelle 1: C-Raten einer Li-Ionen-Zelle mit 2000 mAh im Zusammenhang mit Zeit Tabelle 4: Vergleich der Eigenschaften verschiedener Zellchemien von Li-Ionen- Tabelle 5: Qualitative Bewertung unterschiedlicher Li-Ionen-Batterie

Kompendium: Li-Ionen-Batterie 1 Vorwort Seit Beginn ihrer Markteinführung Anfang der 90er Jahre haben die LithiumIonen-Batterien einen Siegeszug durch viele Anwendungen angetreten. Fanden die ersten Lithium-Ionen-Batterien noch ausschließlich im Consumermarkt (Mobiltelefone, Laptops) Anwendung, so erschließen die weiterentwickelten Lithium-Ionen-Batterien stetig neue Anwendungsgebiete. Netbooks, Tablet Computer oder Smart Watches wären ohne diese „Energiepakete“ kaum zu realisieren gewesen. Parallel zur Steigerung der Energiedichten haben sich die Leistungsdaten verbessert. Lithium-Ionen-Batterien...

Kompendium: Li-Ionen-Batterie Kapitel 2: Grundlagen von Li-Ionen-Batterien 2 Grundlagen von Li-Ionen-Batterien Lithium (Li)-Ionen-Batterien werden bereits in vielen Anwendungsbereichen erfolgreich zur effektiven Speicherung elektrischer Energie genutzt. Auch im Bereich Elektromobilität nehmen sie eine herausragende Stellung ein. Das folgende Kapitel gibt einen Überblick über den grundlegenden Aufbau und die Funktion von Li-Ionen-Zellen und -Systemen. Primär- und Sekundärzellen Batterien sind elektrochemische Energiespeicher und werden in Primär- und Sekundärzellen unterschieden. Primärzellen...

Kompendium: Li-Ionen-Batterie Kapitel 2: Grundlagen von Li-Ionen-Batterien Abbildung 1: Aufbau und Funktion einer Lithium-Ionen-Zelle beim Entladevorgang3 Die negative Elektrode der Zelle besteht aus einer Kupferfolie und einer Schicht aus Graphit oder Lithiumlegiertem Material. In ihr werden während des Ladens die für die Leistungsbereitstellung benötigten positiv geladenen Lithium-Ionen eingelagert. Graphitanoden sind aktuell die gängigste Wahl, da sie ein niedriges Elektrodenpotential4 und eine geringe Volumenausdehnung bei der Einlagerung von Li+-Ionen aufweisen. Für besonders hohe Leistungs-...

Kompendium: Li-Ionen-Batterie Kapitel 2: Grundlagen von Li-Ionen-Batterien gebrachte Oxidschicht dient bei der Ladung der Zelle als Lithiumquelle. Aus ökologischen Gründen werden häufig Manganoxide anstatt Cobaltoxide verwendet. Eine sowohl ökologische als auch sicherheitstechnisch gute Alternative ist Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). Näheres zu diesem und weiteren Aktivmaterialien für die positive Elektrode findet sich in Kapitel 3.4. Derzeit ist Lithium das ideale Aktivmaterial im breiten Einsatz von Primärbatterien. Lithium  ist das leichteste Element in Feststoffform (Atommasse M = 6,941 g/mol;...

Kompendium: Li-Ionen-Batterie Kapitel 2: Grundlagen von Li-Ionen-Batterien Der Elektrolyt fungiert bei diesen Vorgängen als Vermittler zwischen den Reaktionen an den Elektroden und garantiert den Li-Ionen-Transport. Dabei muss er sich u. a. aktuell in einem Spannungsbereich von 0 bis 4,5 V stabil verhalten sowie eine hohe Leitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich (von -40 °C bis +80 °C) gewährleisten.10 Im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien sind drei Formen von Elektrolyten anzutreffen:  Flüssig: Der Elektrolyt ist meist organischen Ursprungs und besteht aus einem Li-Ionenenthaltenden...