Die uneinheitliche Leistung der Zellen entsteht während der Produktion und vertieft sich während der Nutzung. Innerhalb desselben Batteriesatzes werden schwächere Zellen durchweg schwächer und verschlechtern sich schneller. Die Streuung der Parameter zwischen einzelnen Zellen nimmt mit der Alterung zu.
Lithium-Ionen-Batterien, die in der Elektrofahrzeugindustrie bereits eine dominierende Stellung einnehmen, zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer, eine hohe Energiedichte und ein erhebliches Verbesserungspotenzial aus. Die Sicherheit kann verbessert werden, und die Energiedichte kann weiter steigen. Es wird erwartet, dass sie in absehbarer Zeit (ca. 2020) die Reichweite und Kosteneffizienz von Benzinautos erreichen und damit die erste Reifephase von Elektrofahrzeugen erreichen. Lithiumbatterien haben jedoch auch ihre Tücken.
![Schädlichkeit der Lithium-Batterie 03](http://yungbangpower.com/wp-content/uploads/2024/02/Harm-of-Lithium-Battery-03-1024x480.jpg)
1,Warum sind die meisten Lithiumbatterien klein?
Die Lithiumbatterien, die wir sehen - zylindrische Zellen, Pouch-Zellen, quadratische Zellen - sind in der Regel kompakt und nicht so sperrig wie traditionelle Blei-Säure-Batterien. Warum ist das so?
Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Lithiumbatterien oft nicht für große Kapazitäten ausgelegt. Die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien liegt bei etwa 40Wh/kg, während Lithium-Batterien mehr als 150Wh/kg aufweisen. Eine höhere Energiedichte erhöht die Sicherheitsanforderungen.
Erstens kann eine zu energiereiche Lithiumbatterie bei Unfällen zu einem thermischen Durchgehen führen, was eine schnelle und gefährliche interne Reaktion zur Folge hat, da die überschüssige Energie nicht schnell abgeleitet werden kann. Insbesondere wenn die Sicherheitstechnologien und Kontrollmöglichkeiten noch nicht ausgereift sind, sollte die Kapazität jeder Batterie begrenzt werden.
Zweitens können Feuerwehrleute und Löschmittel nicht wirksam eingreifen, wenn die Energie, die das Gehäuse der Lithiumbatterie umgibt, bei einem Unfall freigesetzt wird. Sie können den Unfallort nur isolieren und die Batterie reagieren lassen, bis ihre Energie verbraucht ist.
Natürlich gibt es bei Lithiumbatterien mehrere Sicherheitsmaßnahmen. Nehmen wir zylindrische Zellen als Beispiel:
Sicherheitsventile lassen den Druck automatisch ab, wenn die internen Reaktionen und die Gasbildung die normalen Grenzen überschreiten und der Druck einen voreingestellten Wert erreicht. Wenn sich das Sicherheitsventil öffnet, wird die Batterie vollständig unwirksam.
Die in einigen Zellen eingebauten Thermistoren erhöhen den Widerstand bei einer bestimmten Temperatur aufgrund von Überhitzung drastisch, so dass der Stromfluss reduziert und ein weiterer Temperaturanstieg verhindert wird.
Sicherungen mit Überstromschutzfunktion schalten Stromkreise bei Überstromgefahr ab und verhindern so katastrophale Unfälle.
2, Probleme mit der Konsistenz von Lithiumbatterien
Da es nicht möglich ist, große Einzelzellen herzustellen, bestehen Lithiumbatterien häufig aus zahlreichen kleineren Zellen, die zusammenarbeiten. Dies führt jedoch zu einer Herausforderung: der Konsistenz.
In unserer täglichen Erfahrung können zwei miteinander verbundene Trockenzellen eine Taschenlampe betreiben, unabhängig von ihrer Konsistenz. Bei groß angelegten Lithiumbatterieanwendungen ist die Situation jedoch nicht so einfach.
Inkonsistenzen bei den Parametern von Lithiumbatterien beziehen sich hauptsächlich auf Abweichungen bei der Kapazität, dem Innenwiderstand und der Leerlaufspannung. Die gemeinsame Verwendung von Zellen mit inkonsistenten Parametern kann zu den folgenden Problemen führen:
(Kapazitätsverlust: Wenn Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten in Reihe geschaltet werden, wird die Kapazität des gesamten Akkupacks durch die Zelle mit der niedrigsten Kapazität bestimmt. Um ein Überladen und Überentladen zu verhindern, stoppt das Batteriemanagementsystem das Entladen des Akkus, wenn die Spannung der schwächsten Zelle beim Entladen die Abschaltspannung erreicht oder wenn die Spannung der höchsten Zelle beim Laden die Abschaltspannung erreicht. Dies hat zur Folge, dass kleinere Zellen immer vollständig geladen und entladen werden, während größere Zellen nur teilweise genutzt werden, was zu einer unzureichenden Ausnutzung der Kapazität des Akkus führt.
(Verkürzte Lebenserwartung: Die Lebensdauer des Akkupacks wird durch die kürzeste Lebensdauer der Zellen bestimmt, die wahrscheinlich die Zelle mit der kleinsten Kapazität ist. Kleinere Zellen, die jedes Mal vollständig geladen und entladen werden, sind einer größeren Belastung ausgesetzt und erreichen eher das Ende ihrer Lebensdauer, was zu einem vorzeitigen Ausfall des gesamten Pakets führt.
(Erhöhter Innenwiderstand: Zellen mit unterschiedlichem Innenwiderstand leiten bei gleichem Strom unterschiedliche Wärmemengen ab. Ein hoher Innenwiderstand führt zu höheren Temperaturen und beschleunigt die Degradation. Die Beziehung zwischen Innenwiderstand und Temperatur bildet eine negative Rückkopplungsschleife, die die Degradation von Zellen mit höherem Innenwiderstand beschleunigt.
Diese drei Parameter sind nicht völlig unabhängig voneinander. Zellen mit einem höheren Innenwiderstand neigen auch zu einer größeren Kapazitätsverschlechterung. Gegenwärtig behandeln Ingenieure die Inkonsistenz von Zellen hauptsächlich unter drei Aspekten: Zellsortierung, Wärmemanagement nach der Gruppierung und Gleichgewichtsfunktion, wenn eine kleine Anzahl von Zellen Inkonsistenz aufweist.
![Schädlichkeit der Lithium-Batterie 02](http://yungbangpower.com/wp-content/uploads/2024/02/Harm-of-Lithium-Battery-02-1024x480.jpg)
3,Wie man Unstimmigkeiten beseitigt
Die uneinheitliche Leistung der Zellen entsteht während der Produktion und vertieft sich während der Nutzung. Innerhalb desselben Batteriesatzes werden schwächere Zellen durchweg schwächer und verschlechtern sich schneller. Die Streuung der Parameter zwischen einzelnen Zellen nimmt mit der Alterung zu. Derzeit gehen die Ingenieure die Inkonsistenz der Zellen hauptsächlich unter drei Gesichtspunkten an: Zellsortierung, Wärmemanagement nach der Gruppierung und Ausgleichsfunktion, wenn eine kleine Anzahl von Zellen Inkonsistenz aufweist.
(1),Sortierung
Zellen aus verschiedenen Chargen sollten idealerweise nicht zusammen verwendet werden. Selbst Zellen aus derselben Charge müssen gescreent werden, um Zellen mit relativ ähnlichen Parametern in ein und demselben Batteriesatz zusammenzufassen. Der Zweck des Sortierens besteht darin, Zellen mit ähnlichen Parametern auszuwählen. Sortierverfahren werden seit vielen Jahren erforscht und lassen sich hauptsächlich in zwei Kategorien einteilen: statische Sortierung und dynamische Sortierung.
Bei der statischen Sortierung werden die Zellen anhand von Merkmalen wie Leerlaufspannung, Innenwiderstand und Kapazität gescreent, wobei statistische Algorithmen zur Festlegung von Sortierkriterien verwendet und die Zellen einer Charge in mehrere Gruppen aufgeteilt werden.
Bei der dynamischen Sortierung werden die Zellen auf der Grundlage ihrer Leistung während der Lade- und Entladevorgänge überprüft. Bei einigen Methoden wird mit konstantem Strom und konstanter Spannung geladen, während andere Verfahren gepulste Entlade-Ladezyklen verwenden oder die Lade- und Entladekurven vergleichen.
Bei der Kombination von dynamischer und statischer Sortierung werden die Zellen zunächst mit statischer Sortierung gruppiert und dann mit dynamischer Sortierung weiter verfeinert. Dieser Ansatz führt zu mehr Gruppen mit höherer Genauigkeit, erhöht aber auch die Kosten.
Dies verdeutlicht die Bedeutung der Massenproduktion in der Lithiumbatterieindustrie. Die Massenproduktion ermöglicht es den Herstellern, eine feinere Sortierung vorzunehmen, was zu Batteriepacks mit gleichmäßigerer Leistung führt. Wenn die Produktionsmengen zu gering sind und zu viele Gruppen benötigt werden, sind selbst die besten Methoden unwirksam.
(2),Wärmemanagement
Um das Problem zu lösen, dass Zellen mit ungleichem Innenwiderstand unterschiedliche Wärmemengen erzeugen, wird ein Wärmemanagementsystem eingeführt, das den Temperaturunterschied des gesamten Akkupacks reguliert und innerhalb eines kleinen Bereichs hält. Zellen, die mehr Wärme erzeugen, haben immer noch höhere Temperaturen, aber der Temperaturunterschied zwischen den Zellen wird minimiert, so dass erhebliche Unterschiede in der Degradation vermieden werden.
(3),Ausgleichen
Für den Fall, dass einzelne Zellen die Ladeschlussspannung immer vor den anderen erreichen und damit die effektive Kapazität des Akkus verringern, sind in den Batteriemanagementsystemen (BMS) Ausgleichsfunktionen integriert. Wenn eine Zelle die Ladeschlussspannung früher als die anderen erreicht, was auf eine volle Ladung hindeutet, während die anderen hinterherhinken, aktiviert das BMS die Ladeausgleichsfunktion. Dies kann bedeuten, dass die überladene Zelle entladen oder Energie auf Zellen mit niedrigerer Spannung übertragen wird, so dass der Ladevorgang fortgesetzt werden kann und die im Akku gespeicherte Energiemenge erhöht wird.
Bis heute ist die Inkonsistenz der Zellen ein wichtiger Forschungsbereich in der Industrie. Trotz der hohen Energiedichte von Lithiumbatterien können Inkonsistenzen die Kapazität und Leistung von Batteriepaketen erheblich verringern.