Welche Batterie für welche Anwendung?

P&C Industrie · Einkaufsführer Elektromechanische Komponente und Module 2007/2008
Artikel von Sven Bauer, BMZ

Auf dem Markt wird eine Vielfalt von Batteriemodellen mit unterschiedlichen Chemien angeboten, wobei jede bestimmte Vorteile hat, jedoch keine davon kann bietet eine total zufriedenstellende Lösung an. Die heutige Tendenz geht immer mehr zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren, aber auch die alten bewährten Technologien behaupten sich in den verschiedenen Anwendungsgebieten.

Die Qual der Wahl für den Hersteller von akkubetriebenen Geräten? Nein, lassen Sie sich den Akku-Spezialisten vom Batterien-Montage-Zentrum in Karlstein beraten und finden Sie mit ihm die beste Technologie für Ihr Produkt, eine richtige Auswahl kann nur in Bezug auf die spezifischen Anwendungen getroffen werden.

Sven Bauer, der Geschäftsführer und Batterie-Experte von BMZ gibt Ihnen einen Überblick über die wichtigsten Technologien von wiederaufladbaren Akkus, ihre Eigenschaften und Einsatzbereiche:

Nickel-Kadmium (Ni-Cd), ist ausgereift, verfügt jedoch nur über eine mäßige Energiedichte. Der Einsatzbereich Nickel-Kadmium ist dort, wo Wert auf lange Lebenserwartung, große Entladekoeffizienten und großen Temperaturbereich gelegt wird. Der große Nachteil von Nickel-Kadmium ist, dass es giftige metallische Substanzen enthält, deshalb tritt 2008 ein Nickel-Kadmium-Verbot im Consumerbereich in Kraft. Eine Reihe von Ausnahmen (Powertools, Medizintechnik, Notleuchten) erlaubt den weiteren Einsatz von Ni-Cd-Batterien in diesen Bereichen. Ausschließlich für den industriellen oder gewerblichen Einsatz bestimmte Batterien sind per Definition Industriebatterien und vom Verbot der Nickel-Cadmium-Gerätebatterien nicht betroffen.

Wichtigste Anwendungen:
Funkgeräte, medizinische Geräte und Werkzeuge.

· Schnelle und einfache Aufladung

· Hohe Anzahl von Lade-/Entladezyklen. Bei guter Wartung sind über 1000 Lade-/Entladezyklen erreichbar.

· Gute Ladeeigenschaften. Ladung auch bei tiefen Temperaturen

· Lange Lagerungsfähigkeit, bis zu 5 Jahre sind möglich. Vor Gebrauch ist eine erneute Formatierung notwendig.

· Einfache Lagerung und Transport (die meisten Fluggesellschaften akzeptieren Ni-Cd-Batterien ohne spezielle Bedingungen)

· Gute Leistungen bei tiefen Temperaturen.

· Ni-Cd ist eine der robustesten wiederaufladbaren Batterien.

· Ni-Cd ist die günstigste Batterie, in Bezug auf Kosten pro Zyklus. Durch den Preisanstieg von Nickel in diesem Jahr, wird sich dieser Vorteil gegenüber den anderen Technologien relativieren.

· In vielen Größen, Varianten und Leistungsoptionen erhältlich.

· Verhältnismäßig tiefe Energiedichte

· Memory-Effekt, regelmäßige Wartung erforderlich, zur Vermeidung des Memory-Effekts.

· Umweltunfreundlich, enthält giftige metallische Substanzen.

· Verhältnismäßig hohe Selbstentladung, Aufladung nach Lagerung erforderlich.

· Hohe Wartung. Nickel-Kadmium sollte einmal pro Monat gewartet werden.

Nickel-Metallhydrid (Ni-MH), bietet eine größere Energiedichte als Nickel-Kadmium, hat aber eine kürzere Lebenserwartung und enthält keine giftigen metallische Sunstanzen. Die moderne Ni-MH-Zelle bietet bis zu 40% mehr Energiedichte als eine Nickel-Kadmium im Vergleich, das bedeutet Ni-MH-Zellen bieten noch höhere Kapazitäten , aber nicht ohne einige negative Nebeneffekte.

Nickel-Metallhydrid ist weniger dauerhaft als Nickel-Kadmium. Die Lebenserwartung wird reduziert durch Laden/Entladen unter hoher Belastung und Lagerung bei hohen Temperaturen. Die Selbstentladung bei Nickel-Metallhydrid ist höher als bei Nickel-Kadmium.

· 30 bis 40% höhere Kapazität als Ni-Cd-Standard-Batterien, Ni-MH hat das Potenzial für noch höhere Kapazitäten.

· Weniger Tendenz zu Memory-Effekt als Ni-Cd. Wartung ist nicht so oft nötig wie bei Ni-Cd.

· Einfache Lagerung und Transport (für Transporte gibt es keinen speziellen Kontrollen).

· Umweltfreundlich, nur schwache Gifte, niedrigere Entsorgungskosten

· Begrenzte Lebensdauer, da die Leistungsfähigkeit nach 200 bis 300 Zyklen abzunehmen beginnt, wenn wiederholt stark entladen wurde.

· Begrenzter Entladestrom, Nickel-Metallhydrid ist geeignet, einen hohen Strom abzugeben; jedoch reduziert starke Entladung die Lebenserwartung der Batterie.

· Komplexere Ladealgorithmen sind erforderlich, da Nickel-Metallhydrid mehr Wärme produziert während der Ladung. Ni-MH benötigt eine etwas längere Ladezeit als Ni-Cd. Da die Batterie keine Überladung absorbieren kann, sind die Schwebeladungs-Einstellungen kritisch.

· Hohe Selbstentladung, typischerweise 50% höher als bei Nickel-Kadmium. Die Selbstentladung wurde durch neue chemische Zusätze etwas verkleinert, allerdings auf Kosten von tieferen Energiedichten.

· Verschlechterung der Leistungsfähigkeit bei Lagerung unter hohen Temperaturen.Ideal ist die Lagerung von Nickel-Metallhydrid an einem kühlen Ort, bei ca. 40%-Ladezustand

· Hohe Wartung, da Nickel-Metallhydrid regelmäßige komplette Entladung benötigt, um die Formierung von Kristallen zu verhindern. Nickel-Metallhydrid sollte einmal alle 3 Monate gewartet werden.

Blei-Säure, ist eine ausgereifte und günstige Technologie. Die niedrige Energiedichte ist kein eigentlicher Nachteil, da die Batterie entweder fahrbar oder stationär ist. Die begrenzte Lebenserwartung kann in einem gewissen Sinn kompensiert werden durch die Verwendung von größeren Batterien. Im Gegensatz zu tragbaren Geräten, werden die meisten fahrbaren und stationären Batterien eher aus Gründen der Alterung ersetzt, als wegen Erreichen der maximal möglichen Anzahl von Zyklen. Die preiswerteste Lösung für größere Anlagen, wo das Gewicht keine Rolle spielt.

Wichtigste Anwendungen:
Rollstühle, Notstromsysteme und unterbruchsichere Speisungen, Golfcaddy, Personentransporter, Motorroller.

· Preiswert und einfach in der Herstellung

· Ausgereift, zuverlässige und bekannte Technologie, bei richtiger Anwendung ist eine Blei-Säure-Batterie dauerhaft und verlässlich.

· Die Selbstentladung liegt bei den tiefsten unter den wiederaufladbaren Batteriesystemen.

· Kleiner Bedarf an Unterhalt, da es keinen Memory-Effekt gibt und kein Nachfüllen von Elektrolyt bei den versiegelten Versionen nötig ist.

· Es sind hohe Entladeströme möglich.

· Tiefe Energiedichte

· Das schlechte Gewicht-zu-Energieverhältnis beschränkt den Einsatz auf ortsfeste oder fahrbare Applikationen.

· Die Zellenspannung sollte nie unter 2,10V fallen, da sie nicht in entladenem Zustand gelagert werden kann.

· Gestattet nur eine beschränkte Anzahl Vollentladungen, deshalb gut anwendbar für Notstromanlagen, welche nur sporadisch einer Vollentladung ausgesetzt sind.

· Bleianteil und Elektrolyt machen die Batterie Umwelt unfreundlich.

· Transportbeschränkungen bei flüssigen Blei-Säure-Batterien, da Umweltschutzbedenken bestehen im Zusammenhang mit möglichem Verschütten. Bei unsachgemäßem Laden kann eine thermische Kettenreaktion entstehen.

Lithium-Ion die Batterietechnik der Zukunft! Li-Ionen-Batterien sind sehr umweltfreundlich, da sie keine giftigen Metalle enthalten , sie haben einen kleinen Wartungsaufwand. Es werden keine periodischen Entladungen verlangt und Ladungen können beliebig durchgeführt werden. Eine beliebige Ladung bedeutet, dass die Batterie vor einer Aufladung nicht voll entladen werden muss. Es ist sogar besser, wenn die Batterie aufgeladen wird, bevor sie zu tief entladen ist. Eine volle Entladung stresst die Batterie unnötigerweise. Eine Aufladung einer noch teilweise geladenen Batterie löst auch keinen Memoryeffekt aus, da ein solcher gar nicht möglich ist.

Es gibt verschiedene Lithium-Ion Technologien auf dem Markt, mit unterschiedlichen Zusammensetzungen (Metalle, Chemie), z.B. Lithium-Ion-Mangan, Lithium-Kobalt, Lithium-Eisenphosphat, Nanophosphat-Lithium-Ion, etc.

Wichtigste Anwendungen:

Notebook-Computer, Mobiltelefone, Golfcaddy, E-Bike, Medizintechnik. Im Werkzeugmarkt setzen sich die Li-Ion-Akkus immer mehr durch.

· Hohe Energiedichte, das Potential für noch höhere Kapazitäten ist vorhanden

· Keine längere Formatierung der Neuzelle notwendig, eine einzige normale Ladung genügt.

· Verhältnismäßig kleine Selbstentladung. Die Selbstentladung ist weniger als die Hälfte jener auf Nickel basierenden Batterien.

· Kleine Wartung - Keine regelmäßige Entladung nötig, da kein Memory-Effekt besteht.

· Die chemische Zusammensetzung wird für die verschiedenen Anwendungen noch verfeinert

· Die meisten Lithium-Ion-Technologie benötigen eine eingebaute Schutzschaltung (Ausnahme Lithium-Ion-Mangan-Zellen), um Spannung und Strom innerhalb den Sicherheitslimiten zu halten.

· Zelle altert, auch wenn sie nicht gebraucht wird - lagern der Batterie in einem kühlen Raum bei einer 40%-Ladung reduziert den Alterungseffekt.

· Entladestrom ist moderat - nicht verwendbar für starke Belastung.

· Einschränkung bei Transporten, eventuelle Kontrollen beim Verschiffen von größeren Mengen.

· Aufwendig in der Herstellung - ca. 40% höhere Herstellungskosten als bei Nickel

Lithium-Polymer, dieses System gestattet schlanke Batterien in einfacher Konstruktion zu bauen, ähnlich wie Lithium-Ionen, allerdings bei höheren Kosten für Watt-Stunden.

Wichtigste Anwendungen:

· Ausgesprochen dünn. Es sind Batterien herstellbar, die in der Form einer Kreditkarte gleichen.

· Durch den flexibler Formfaktor sind die Hersteller nicht mehr an die Standardzellen-Formate gebunden. Bei großen Stückzahlen können beliebige Formen günstig hergestellt werden.

· Niedriges Gewicht. Die Gel-Elektrolyte gestatten vereinfachtes Verpacken ohne metallische Hülle.

· Bessere Sicherheit, da widerstandsfähiger gegen Überladung, kleineres Risiko gegen auslaufende Elektrolyte.

· Kleinere Energiedichte und weniger Ladezyklen, verglichen mit Lithium-Ion

· Aufwendige Herstellung

· Keine Standardgrößen. In der Regel sind die meisten Zellen sind für einen Markt mit großen Stückzahlen gebaut.

· Schutzbeschaltung ist zwingend erforderlich

· Höhere Kosten betreffend Energieverhältnis als Lithium-Ion.

Abb.1: Diverse Standard-Akkupacks

Abb.2: Lithium-Ion Big Pack