Wiederaufladbare Batterie

Ein solarbetriebenes Ladegerät für wiederaufladbare AA-Batterien

Während des Ladens wird das positive aktive Material oxidiert, wodurch Elektronen erzeugt werden, und das negative Material wird reduziert, wodurch Elektronen verbraucht werden. Diese Elektronen bilden den Stromfluss im externen Stromkreis. Der Elektrolyt kann als einfacher Puffer für den internen Ionenfluss zwischen den Elektroden dienen, wie bei Lithium-Ionen- und Nickel-Cadmium-Zellen, oder er kann ein aktiver Teilnehmer an der elektrochemischen Reaktion sein, wie bei Blei-Säure-Zellen.

Die zum Aufladen von wiederaufladbaren Batterien verwendete Energie stammt in der Regel von einem Batterieladegerät, das mit Wechselstrom betrieben wird, obwohl einige für die Nutzung der 12-Volt-Gleichstromsteckdose eines Fahrzeugs ausgestattet sind. Die Spannung der Stromquelle muss höher sein als die der Batterie, damit Strom in die Batterie fließen kann, aber nicht zu hoch, sonst kann die Batterie beschädigt werden.

Ladegeräte brauchen zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden, um eine Batterie zu laden. Langsame „dumme“ Ladegeräte ohne Spannungs- oder Temperaturmessfunktionen laden mit einer niedrigen Rate und benötigen in der Regel 14 Stunden oder mehr, um eine volle Ladung zu erreichen. Schnellladegeräte können Zellen je nach Modell in zwei bis fünf Stunden aufladen, wobei die schnellsten nur fünfzehn Minuten benötigen. Schnellladegeräte müssen über mehrere Möglichkeiten verfügen, um zu erkennen, wann eine Zelle die volle Ladung erreicht (Änderung der Klemmenspannung, Temperatur usw.), um den Ladevorgang zu beenden, bevor es zu einer schädlichen Überladung oder Überhitzung kommt. Die schnellsten Ladegeräte sind oft mit Kühlgebläsen ausgestattet, um die Zellen vor Überhitzung zu schützen. Akkus, die für eine Schnellladung vorgesehen sind, können einen Temperatursensor enthalten, den das Ladegerät zum Schutz des Akkus verwendet; der Sensor hat einen oder mehrere zusätzliche elektrische Kontakte.

Unterschiedliche Akkumaterialien erfordern unterschiedliche Ladeschemata. Einige Batterietypen können zum Beispiel mit einer konstanten Spannungsquelle sicher aufgeladen werden. Andere Typen müssen mit einer geregelten Stromquelle geladen werden, die sich verjüngt, wenn die Batterie die volle Spannung erreicht. Falsches Aufladen kann eine Batterie beschädigen; in extremen Fällen können Batterien überhitzen, Feuer fangen oder ihren Inhalt explosionsartig entladen.

Positive und negative Elektrode vs. Anode und Kathode für eine Sekundärbatterie

EntladerateBearbeiten

Die Lade- und Entladeraten von Batterien werden oft unter Bezugnahme auf eine „C“-Stromrate diskutiert. Der C-Strom ist der Strom, mit dem die Batterie theoretisch in einer Stunde vollständig geladen oder entladen werden kann. Eine Erhaltungsladung kann beispielsweise mit C/20 (oder einer „20-Stunden“-Stromstärke) durchgeführt werden, während eine typische Ladung und Entladung mit C/2 (zwei Stunden für volle Kapazität) erfolgt. Die verfügbare Kapazität von elektrochemischen Zellen hängt von der Entladungsrate ab. Ein Teil der Energie geht durch den Innenwiderstand der Zellkomponenten (Platten, Elektrolyt, Verbindungen) verloren, und die Entladegeschwindigkeit wird durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der sich die Chemikalien in der Zelle bewegen können. Bei Blei-Säure-Zellen wird die Beziehung zwischen Zeit und Entladungsrate durch das Peukert’sche Gesetz beschrieben; eine Blei-Säure-Zelle, die bei einem hohen Strom keine brauchbare Klemmenspannung mehr aufrechterhalten kann, kann immer noch eine brauchbare Kapazität haben, wenn sie mit einer viel geringeren Rate entladen wird. In Datenblättern für wiederaufladbare Zellen wird die Entladekapazität oft mit 8 Stunden oder 20 Stunden oder einer anderen angegebenen Zeit angegeben; Zellen für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme können für eine Entladung von 15 Minuten ausgelegt sein.

Die Klemmenspannung der Batterie ist während des Ladens und Entladens nicht konstant. Einige Typen haben über einen Großteil ihrer Kapazität eine relativ konstante Spannung während der Entladung. Nicht wiederaufladbare Alkali- und Zink-Kohle-Zellen geben im Neuzustand 1,5 V ab, aber diese Spannung sinkt bei Gebrauch. Die meisten NiMH-AA- und -AAA-Zellen haben eine Nennspannung von 1,2 V, haben aber eine flachere Entladungskurve als Alkalibatterien und können in der Regel in Geräten verwendet werden, die für Alkalibatterien ausgelegt sind.

In den technischen Hinweisen der Batteriehersteller wird oft die Spannung pro Zelle (VPC) für die einzelnen Zellen angegeben, aus denen die Batterie besteht. Um beispielsweise eine 12-V-Blei-Säure-Batterie (mit 6 Zellen zu je 2 V) mit 2,3 VPC zu laden, ist eine Spannung von 13,8 V an den Batteriepolen erforderlich.

Schäden durch ZellenumkehrBearbeiten

Wird eine entladene Zelle mit einem Strom beaufschlagt, der sie tendenziell weiter entlädt, bis die Polarität der Plus- und Minuspole wechselt, kommt es zu einer sogenannten Zellenumkehr. Wird eine entladene Zelle auf diese Weise mit Strom beaufschlagt, kommt es im Allgemeinen zu unerwünschten und irreversiblen chemischen Reaktionen, die zu einer dauerhaften Schädigung der Zelle führen.

• Wenn eine Batterie oder Zelle falsch herum an einen Ladestromkreis angeschlossen wird.
• Wenn eine Batterie, die aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen besteht, tief entladen wird.

Im letzteren Fall tritt das Problem auf, weil die verschiedenen Zellen in einer Batterie leicht unterschiedliche Kapazitäten haben. Wenn eine Zelle den Entladezustand vor den anderen erreicht, zwingen die verbleibenden Zellen den Strom durch die entladene Zelle.

Viele batteriebetriebene Geräte verfügen über eine Unterspannungsabschaltung, die Tiefentladungen verhindert, die zu einer Zellenumkehr führen könnten. Eine intelligente Batterie verfügt über einen eingebauten Spannungsüberwachungsschaltkreis.

Eine Zellenumkehr kann bei einer schwach geladenen Zelle auftreten, noch bevor sie vollständig entladen ist. Wenn der Entladestrom der Batterie hoch genug ist, kann der Innenwiderstand der Zelle einen Spannungsabfall erzeugen, der größer ist als die Vorwärts-EMK der Zelle. Dies führt dazu, dass sich die Polarität der Zelle umkehrt, während der Strom fließt. Je höher die erforderliche Entladerate einer Batterie ist, desto besser sollten die Zellen aufeinander abgestimmt sein, sowohl in Bezug auf den Zellentyp als auch auf den Ladezustand, um das Risiko einer Zellenumkehr zu verringern.

In manchen Situationen, z. B. bei der Korrektur von NiCd-Batterien, die zuvor überladen wurden, kann es wünschenswert sein, eine Batterie vollständig zu entladen. Um Schäden durch den Zellenumkehreffekt zu vermeiden, ist es notwendig, auf jede Zelle einzeln zuzugreifen: jede Zelle wird einzeln entladen, indem eine Lastklemme über die Pole jeder Zelle gelegt wird, wodurch eine Zellenumkehr vermieden wird.

Schäden bei der Lagerung im vollständig entladenen ZustandEdit

Wenn ein mehrzelliger Akku vollständig entladen wird, wird er oft aufgrund des oben erwähnten Zellenumkehreffekts beschädigt.Es ist jedoch möglich, eine Batterie vollständig zu entladen, ohne dass es zu einer Zellenumkehr kommt – entweder indem man jede Zelle einzeln entlädt oder indem man zulässt, dass das interne Leck jeder Zelle ihre Ladung im Laufe der Zeit abbaut.

Selbst wenn eine Zelle in einen vollständig entladenen Zustand gebracht wird, ohne dass es zu einer Zellenumkehr kommt, kann es jedoch im Laufe der Zeit zu Schäden kommen, die einfach durch das Verbleiben im entladenen Zustand verursacht werden. Aus diesem Grund wird oft empfohlen, eine Batterie, die gelagert werden soll, aufzuladen und ihren Ladezustand durch regelmäßiges Nachladen aufrechtzuerhalten.

Da auch eine Überladung der Batterie zu Schäden führen kann, liegt der optimale Ladezustand während der Lagerung in der Regel bei 30 bis 70 %.

EntladetiefeBearbeiten

Hauptartikel: Entladetiefe

Die Entladetiefe (DOD) wird normalerweise als Prozentsatz der nominalen Amperestundenkapazität angegeben; 0% DOD bedeutet keine Entladung. Da die nutzbare Kapazität eines Batteriesystems von der Entladerate und der zulässigen Spannung am Ende der Entladung abhängt, muss die Entladetiefe qualifiziert werden, um zu zeigen, wie sie zu messen ist. Aufgrund von Schwankungen während der Herstellung und der Alterung kann sich die Entladetiefe für eine vollständige Entladung mit der Zeit oder der Anzahl der Ladezyklen ändern. Im Allgemeinen verträgt ein wiederaufladbares Batteriesystem mehr Lade-/Entladezyklen, wenn die Entladetiefe bei jedem Zyklus geringer ist. Lithiumbatterien können sich auf etwa 80 bis 90 % ihrer Nennkapazität entladen. Blei-Säure-Batterien können sich auf etwa 50-60% entladen. Durchflussbatterien können sich zu 100 % entladen.

Lebensdauer und ZyklenstabilitätBearbeiten

Wenn Batterien auch ohne Fehlbehandlung wiederholt verwendet werden, verlieren sie mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen an Kapazität, bis sie schließlich als am Ende ihrer Lebensdauer angelangt gelten. Verschiedene Batteriesysteme haben unterschiedliche Mechanismen für die Abnutzung. Bei Blei-Säure-Batterien zum Beispiel wird nicht bei jedem Lade-/Entladezyklus das gesamte aktive Material auf den Platten wiederhergestellt; schließlich geht so viel Material verloren, dass die Batteriekapazität sinkt. Bei Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere bei Tiefentladung, kann sich beim Laden reaktives Lithiummetall bilden, das beim nächsten Entladezyklus nicht mehr zur Verfügung steht. Verschlossene Batterien können Feuchtigkeit aus ihrem flüssigen Elektrolyten verlieren, insbesondere wenn sie überladen oder bei hohen Temperaturen betrieben werden. Dadurch verringert sich die Zyklenlebensdauer.

AufladezeitBearbeiten

BYD e6 taxi. Aufladen in 15 Minuten auf 80 Prozent

Die Aufladezeit ist ein wichtiger Parameter für den Nutzer eines Produkts, das mit wiederaufladbaren Batterien betrieben wird. Auch wenn das Ladenetzteil genügend Strom für den Betrieb des Geräts und das Aufladen des Akkus liefert, ist das Gerät während der Ladezeit an eine externe Stromversorgung angeschlossen. Bei Elektrofahrzeugen, die in der Industrie eingesetzt werden, kann das Aufladen während der Freischichten akzeptabel sein. Für Elektrofahrzeuge, die im Straßenverkehr eingesetzt werden, ist eine Schnellladung erforderlich, um die Batterie in einer angemessenen Zeit aufzuladen.

Eine wiederaufladbare Batterie kann nicht mit einer beliebig hohen Rate aufgeladen werden. Der Innenwiderstand der Batterie erzeugt Wärme, und ein übermäßiger Temperaturanstieg kann die Batterie beschädigen oder zerstören. Bei einigen Typen wird die maximale Ladegeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der aktives Material durch einen flüssigen Elektrolyten diffundieren kann. Hohe Ladegeschwindigkeiten können zu überschüssigem Gas in einer Batterie führen oder schädliche Nebenreaktionen hervorrufen, die die Kapazität der Batterie dauerhaft verringern. Ganz grob und mit vielen Ausnahmen und Vorbehalten gilt das Wiederherstellen der vollen Kapazität einer Batterie in einer Stunde oder weniger als Schnellladung. Ein Batterieladesystem umfasst komplexere Steuerungs- und Ladestrategien für das Schnellladen als für ein Ladegerät, das für langsameres Aufladen ausgelegt ist.