Bicker Elektonik

USV-Akku gesucht

22. Januar 2020, 7:30 Uhr | Apostolos Baltos und Jochen Kessens

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist in industriellen und medizintechnischen Applikationen oftmals essenziell oder gar von lebenserhaltender Bedeutung. Und diese wiederum steht und fällt mit dem Akku. Welcher passt also am besten zu meiner Anwendung?

Damit Anlagen der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, Embedded-PCs, Roboter, Stellantriebe, Kameras, Sensorik oder mobile Systeme zuverlässig vor Ausfällen, Flicker oder Spannungseinbrüchen der DC-Stromversorgung geschützt sind, eignen sich unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Neben großen zentralen Notstromversorgungen kommen oftmals auch dezentrale und integrierte DC-USV-Systeme mit modularem Aufbau zum Einsatz [1].

In Kombination mit der Lade- und Steuerungseinheit gilt es, einen passenden Energiespeicher auszuwählen. Faktoren wie Baugröße, Leistungs- und Energiedichte, Temperaturbereich, Lebensdauer, Sicherheit sowie Initial- und Folgekosten spielen bei dieser Abwägung eine wichtige Rolle. Im Wesentlichen sind folgende Energiespeicher für den Einsatz in DC-USV-Systemen relevant:

klassische Blei-Gel-Batterien,
Reinblei-Zinn-Batterien (Cyclon-Zellen),
Supercaps (Ultrakondensatoren),
konventionelle Lithium-Ionen-Zellen (u. a. LCO und NMC) sowie
Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LiFePO₄).

Betrachtet man die verschiedenen Arten von Lithium-Ionen-Akkus, stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen welche dieser Technologien für DC-USV-Systeme sinnvoll erscheint und welche Vor- und Nachteile die unterschiedlichen Materialkombinationen aufweisen. Diese und weitere Fragestellungen wollen wir hier diskutieren und Systementwicklern dabei helfen, den für ihre Anwendung passenden Lithium-Ionen-Energiespeicher auszuwählen.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Für die Energieversorgung von DC-USV-Systemen mit längeren Überbrückungszeiten (bis zu mehreren Stunden) kommen je nach Leistungsbedarf der Applikation meist Energiespeicher auf Blei- oder Lithium-Basis mit hoher Kapazität zum Einsatz. Als Nachfolger der herkömmlichen Blei-Schwefelsäure-Chemie hat sich mittlerweile die moderne Lithium-Ionen-Technologie durchgesetzt. Zwar sind diese Energiespeicher in der Anschaffung teurer als klassische Blei-Gel-Akkus, jedoch lassen sich mit Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) besonders hohe Energiedichten mit einer Platz- und Gewichtseinsparung von bis zu 75 % realisieren. Lithium ist das leichteste Metall überhaupt und besitzt gleichzeitig ideale elektrochemische Eigenschaften für die Realisierung hoher spezifischer Energiedichten (Wh/kg). Ebenfalls vielfach größer als bei Blei-Gel-Batterien sind die Anzahl der Ladezyklen, die realisierbare Entladetiefe (Depth of Discharge, DoD) sowie die Lebensdauer.

Neben zahlreichen weiteren Materialkombinationen haben sich unter anderem drei Katodenmaterialien für Energiespeicher etabliert. Im Bereich der Eisenphosphate ist dies Lithium-Eisenphosphat (LFP; LiFePO₄), im Bereich der Lithium-Metalloxid-Verbindungen u. a. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC; LiNiMnCoO₂) und Lithium-Kobaltoxid (LCO; LiCoO₂). Die verschiedenen Katodenmaterialien entsprechender Lithium-Ionen-Akkuzellen bedingen neben unterschiedlichen Nennspannungen eine Vielzahl weiterer Eigenschaften wie die Netzdiagramme in Bild 1 zeigen.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Lithium-Ionen-Zelle (Bild 2) besteht vereinfacht gesagt aus einer Katode und einer Anode umgeben von einer extrem reinen und wasserfreien Flüssigelektrolyt, der die Lithiumionen transportiert (bei einem festen Elektrolyt spricht man von Lithium-Polymer-Akkus). Die Anode besteht aktuell meist aus Kohlenstoff (C) in Form von Grafit, in den die Lithiumionen (Li⁺) aus dem Aktivmaterial der Katode eingelagert werden (Interkalation). Der mikroporöse Separator, der nur für die Lithiumionen durchlässig ist, trennt die Katode (mit Aluminiumkern) elektrisch von der Anode (mit Kupferkern).

Beim Laden werden die beiden Elektroden über eine Spannungsquelle verbunden, die einen externen Elektronenfluss von der Katode zur Anode in Gang setzt. Durch Entfernen von Elektronen aus dem Katodenmaterial beginnen sich die Lithiumatome in der Katode zu ionisieren. Die positiv geladenen Lithiumionen lösen sich aus dem Verbund des Katodenmaterials und diffundieren nun durch den Separator zur negativen Anode, verbinden sich mit den Elektronen wieder zu neutralen Lithiumatomen und lagern sich in der molekularen Grafit-Schichtstruktur der Anode ein (LiC₆<- > C₆ + Li⁺ + e^-).

Beim Entladen über einen angeschlossenen Verbraucher kehrt sich der Prozess der Elektronen- und Lithiumionen-Bewegung um und die durch den Ladevorgang aufgenommene Energie wird über den Entladestrom an den Verbraucher abgegeben.

Bei jedem Vollzyklus (Laden/Entladen) wird die Lithium-Ionen-Zelle chemisch, thermisch und mechanisch belastet, indem sie sich ausdehnt. Dadurch altert eine Zelle. Insbesondere das Laden mit hohen Strömen (Schnellladung) sowie bei tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating an der Anode führen. Hierbei lagern sich die Lithiumionen nicht wie vorgesehen in die Grafit-Schichtstruktur der Anode ein, sondern werden an der Oberfläche der Grafitanode metallisch abgeschieden und reduzieren die Leistung erheblich oder führen gar zu Kurzschlüssen innerhalb der Zelle.

Hohe Ladeschlussspannungen oder gar Überladung führt ebenfalls zu einer starken Wärmeentwicklung, Ausdehnung und Belastung der Lithium-Ionen-Zelle. Auf den Energiespeicher optimierte Lade- und Entladeprofile mit angepassten Ladeschlussspannungen und Entladetiefen sowie der Einsatz eines Batterie-Management-Systems (BMS) schonen die Materialien der Lithium-Ionen-Zelle und sorgen für eine lange Lebensdauer. Hinsichtlich der Lagerung von Lithium-Ionen-Akkus sollten diese trotz der äußerst geringen Selbstentladung regelmäßig nachgeladen werden, um eine Tiefentladung und die damit verbundene Destabilisierung der Zellchemie zu vermeiden.

Bei der Auswahl eines Lithium-Ionen-Energiespeichers für DC-USV-Systeme empfiehlt sich ein genauer Blick auf das eingesetzte Katodenmaterial, denn Lithium-Ionen-Technologie sorgt insbesondere in sicherheitstechnischer Hinsicht immer wieder für Negativschlagzeilen mit Bildern von brennenden Elektroautos oder schmelzenden Mobiltelefonen (Bild 3). Da die Energiedichte in den Akkus aufgrund der elektrochemischen Vorteile von Lithium sehr hoch ist, besteht erhöhtes Brandrisiko, weshalb Lithium-Ionen-Akkus besonderen Transport- und Luftfrachtbestimmungen unterliegen.

Gerade bei Zellen mit chemisch und thermisch instabilem Katodenmaterial wie Lithium-Kobaltoxid (LCO) oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) kann starke Wärmeentwicklung bei Überladung, ein interner oder externer Kurzschluss, mechanische Beschädigung, produktionsbedingte Verunreinigungen oder starke äußere Hitzeeinwirkung in der Zelle eine exotherme chemische Reaktionen auslösen. Die frei werdende Wärmeenergie erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit der Zellchemie und lässt die Temperatur in der Zelle weiter ansteigen. Überschreitet die Temperatur einen bestimmten Wert, lässt dieser Prozess sich nicht mehr stoppen. Diese Grenze hängt von der eingesetzten Zellchemie ab und beträgt beispielsweise +150 °C bei Lithium-Kobaltoxid. Die Zelle geht thermisch durch (Thermal Runaway), sodass sie letztlich in Brand gerät oder gar explodiert. Da der im Katodenmaterial gebundene Sauerstoff in einem solchen Fall freigesetzt wird, lässt sich ein derartiger Brand nur sehr schwer löschen.

Deshalb müssen Lithium-Ionen-Akkus mit Schutzschaltungen gegen Übertemperatur (Over Temperature Protection, OTP), -strom (Over Current Protection, OCP), -spannung (Over Voltage Protection, OVP) und Kurzschluss (Short Circuit Protection, SCP) ausgestattet sein sowie die direkte Einwirkung von Hitze und mechanische Beschädigungen der Zellen verhindert werden.