Da immer mehr Systeme mobil werden, steigt auch die Bedeutung von Batterien für das Design. Es gibt sie in allen Formen, Größen und Ausführungen. Keine einzige ist jedoch für alle Aufgaben geeignet.
Alle Chemikalien sind unterschiedlich und Lithium-Ionen ist möglicherweise nicht immer die richtige Lösung. In diesem Artikel werden Nickel-Metallhydrid-, Bleisäure- und Lithium-Ionen-Batterien verglichen. Dabei werden die jeweiligen Vorteile sowie die Anwendungsbereiche herausgestellt, für die sie sich eignen. Ich werden die Chemikalien rückwärts betrachten und dabei von der niedrigsten Energiedichte bis zur höchsten Dichte nach Gewicht gehen. Die Energiedichte wird in der Regel in Wh/kg oder Wh/L gemessen und gibt die Menge der gespeicherten Energie nach Gewicht oder Volumen an.
Bleisäure
Am unteren Ende der Energiedichteskala befindet sich die bekannte und bewährte Bleisäurebatterie. Die Bleisäurebatterie gibt es seit 1859 und sie ist die bekannteste aufladbare Lösung. Bleisäurebatterien sind in der Regel mit 12V oder 6V mit 2V pro Zelle und verschiedenen Wh-Kapazitäten für zahlreiche Anwendungen verfügbar – von kleinen Motorrädern bis zu Autos und selbst riesige Batteriebanken, mit denen Richtmasten auch bei Stromunterbrechung mit Energie versorgt werden. Einer der primären Vorteile von Bleisäurebatterien ist die Hochleistungsdichte, die in Bezug auf die Energiedichte einzigartig ist. Wenn ein Gerät über Hochleistungsdichte verfügt, bedeutet dies, dass es für einen bestimmten Zeitraum Hochspannungsspitzen bestehen kann. Dank dieser Hochstromfähigkeit werden Bleisäurebatterien häufig in Fahrzeugen eingesetzt, um das Anlassen des Motors mit mindestens 160A für ein 4-Zylinder-Gasmotor bis zu 650A für einen großen 8-Zylinder-Dieselmotor zu unterstützen.
Eine Bleisäurebatterie funktioniert in der richtigen Anwendung großartig, hat aber auch deutliche Nachteile. Da die Leistungsdichte hoch und die Energiedichte niedrig ist, benötigt sie im Vergleich zu anderen tragbaren Energiesystemen mehr Platz und wiegt mehr. Bei einer Anwendung wie z. B. einer Smartwatch wäre es unpraktisch, eine riesige Bleisäurebatterie anzuschließen. Doch in einem Fahrzeug stellt das zusätzliche Gewicht kein größeres Problem dar. Eine Bleisäurebatterie wird in Systemen ohne Platz- oder Gewichtsbeschränkungen verwendet, die aber eine hohe Stromleistung und eine dauerhafte Batteriequelle benötigen. Ein weiterer Faktor für die gute alte Bleisäurebatterie ist die Fähigkeit, in breiten Temperaturbereichen zu funktionieren. Eine Bleisäurebatterie kann im Allgemeinen höhere und niedrigere Temperaturen als vergleichbare Chemikalien aushalten und funktioniert weiterhin gut.
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Nickel-Metallhydrid / Nickel-Kadmium
Als nächste Batterie auf der Energiedichteskala folgen Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien. NiMH- und NiCD-Batterien zeigen ähnliche Wirkweisen, aber NiCD-Zellen wurden schnell von NiMH ersetzt, da NiCD-Zellen wegen ihrer toxischen Eigenschaften in der Europäischen Union bis auf bestimmte Anwendungsbereiche nicht mehr zugelassen wurden. NiMH-Batterien haben zudem eine höhere Energiedichte als NiCD, aber sind in der Regel weniger resistent gegen Überlast und haben eine höhere Selbstentladungsrate, was bedeutet, dass sie eine kürzere Speicherdauer haben, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. Beide Chemikalien haben im Allgemeinen etwa 1,2V pro Zelle und zeigen gute Stromversorgungsfunktionen.
Mit ihrer höheren Energiedichte im Vergleich zu Bleisäurebatterien wurden NiCD- und NiMH-Batterien in zahlreichen Anwendungsbereichen für portable Systeme und insbesondere in tragbaren Elektrowerkzeugen eingesetzt, für die ein guter Ausgangsstrom erforderlich ist. In Systemen mit Platz- und Gewichtseinschränkungen, die jedoch auch einen guten Ausgangsstrom benötigen, sind NiMH-Zellen eine kostengünstige Lösung. Die wichtigsten Vorteile von NiMH im Vergleich z. B. zu Lithium-Ionen sind die niedrigen Kosten und der wahrscheinlich längere Lebenszyklus. Doch diese beiden Faktoren wurden von neueren Batterietechnologie abgelöst.
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Lithium-Ionen-Batterie
Schließlich betrachten wir noch die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die in den frühen 90-er Jahren zum ersten Mal kommerziell produziert wurde. Die Bezeichnung Lithium-Ionen kann ein wenig irreführen, denn die Batterien enthalten eine breite Palette an Chemikalien, die nicht alle gleich sind, und verfügen über eine Lithium-basierte Anode und eine Kathode aus einem anderen Material. In die Optimierung der Materialien in diesen Zellen für unterschiedliche Anwendungsbereiche wurde viel Arbeit gesteckt. Aber bevor Sie sich für eine bestimmte Zelle entscheiden, sollten Sie sich auch die Nachteile dieser Technologie anschauen. Zur Zeit gelten Lithium-Ionen-Batterien als die Zellen mit der höchsten Energiedichte. Sie sind breit verfügbar und eignen sich für die Anwendung in portablen Elektronikgeräten. Die gewöhnliche Zellenspannung liegt zwischen 3,6V und 3,8V, doch die Batterien können nur in geringem Umfang Hochleistung verarbeiten.
Einige zylindrische Zellen sind auf Entladungsraten von 0,7C oder 1C begrenzt, wobei "C" hier für die Kapazität steht. Eine 1000mAh-Batterie hat z. B. eine 1C-Entladerate von 1A. Aufgrund dieser eingeschränkten Stromkapazitäten sind Lithium-Ionen-Zellen nur langsam auf dem Vormarsch in Richtung Energiesysteme wie Elektrowerkzeuge, aber sie eignen sich perfekt für Verbraucherelektronik. In diesem Bereich sind sie auch zur vorherrschenden Batterieart geworden. Änderungen an der Konstruktion und den Chemikalien haben deutliche Verbesserungen der C-Rate dieser Zellen bewirkt, sodass sie heute 5C- bis 20C-Zellen erhalten. Zellen mit dieser C-Rate werden gern in luftgestützten Systemen wie Fahrzeuge mit mehreren Rotoren eingesetzt. Zur Zeit würde ich für die meisten tragbaren Systeme Lithium-Ionen-Lösungen empfehlen, da sie leichter und kompakter sind und flexibler eingesetzt werden können, obwohl sie in der Regel teurer sind als eine vergleichbare NiMH- oder Bleisäurebatterie.
Noch ein weiterer Hinweis zu Lithium-basierten Lösungen: Sie haben den üblen Nachteil, dass sie hohe Belastungen bei der Beladung oder Entladung nur schlecht verarbeiten können. Wenn eine Lithium-Zelle besonderer Belastung ausgesetzt wird und nicht ordnungsgemäß geschützt ist, kann sie sich entzünden oder sogar explodieren, wie z. B. kürzlich bei der Boeing 787 Dreamliner. Zur Lösung dieses Problems der Lithium-Zellen müssen für den Schutz noch mehr Bemühungen aufgebracht werden als bei Bleisäure- oder NiMH-Batterien.
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Damit haben Sie nun einen schnellen Überblick über die drei bekanntesten Chemikalien für tragbare Geräte erhalten. Bleisäure ist schwer und groß, aber zuverlässig und billig. NiMH ist kompakter und kann hohe Belastungen verarbeiten, hat aber Speicherprobleme. Lithium-Ionen ist die kleinste und am besten entwickelte Lösung, aber auch die teuerste mit dem höchsten Designaufwand. Wenn Sie die Vor- und Nachteile abwägen, finden Sie die richtige Batterie für Ihre Anwendung.
