Batterien

Didaktisch klar aufgebautes Fachbuch, das die Funktion und den Aufbau von Batterien für die wichtigsten Anwendungen von Batterien in der Zukunft erklärt: Mobilität und Energieversorgung. Großer Wert wird auf die Systemeinbindung von Batterien in technische Gesamtsysteme gelegt.

Autorentext
Alexander Börger forscht seit 2008 als Verantwortlicher für Starterbatterien bei der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Volkswagen in Wolfsburg. Nach seinem Chemiestudium an der TU Dresden und der Universidad de Salamanca promovierte Alexander Börger 2006 an der TU Braunschweig in Physikalischer Chemie und schloss dort anschließend zwei Jahre Postdoc-Forschung an.

Heinz Wenzl ist seit 2010 Honorarprofessor an der TU Clausthal-Zellerfeld im Fach Batteriesysteme. Der Physiker und Wirtschaftsingenieur promovierte an der TU München und machte sich nach verschiedenen Tätigkeiten in der Industrie u.a. bei Leybold Heraeus 1993 mit einem Ingenieurbüro zur Beratung für Batterien und Energietechnik selbständig. Er ist in der Landesinitiative Brennstoffzellen und Batterietechnologie Niedersachsen verantwortlich für die Projektentwicklung.

Klappentext

Für die Mobilität und Energieversorgung der Zukunft: Kompakte und praxisnahe Wissensvermittlung aller wichtigen Batteriegrundlagen und -systeme

Batterien sind in vielen Fällen die bevorzugte Lösung zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung von Fahrzeugen und Energieversorgungsystemen und ermöglichen es, Emissionen zu verringern und die Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas zu reduzieren. In der Summe aller Eigenschaften erfüllen Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien die Anforderungen der verschiedensten Anwendungen am besten und dominieren deshalb den Markt. Lithium-Ionen-Batterien dringen in immer weitere Anwendungsgebiete vor, bzgl. Wert und Produktionsmenge in MWh dominieren aber immer noch Blei-Säure-Batterien. Aus Sicht der Autoren sind Kenntnisse beider Batterietechnologien wichtig, um das Verständnis für Batteriesysteme zu vertiefen und sie in den seltenen Fällen, in denen diese beiden Batterietechnologien technische oder wirtschaftliche Alternativen sind, gegeneinander abzuwägen. Die Anforderungen an Batteriesysteme sind hoch. Sie müssen leicht und häufig ladbar sein und müssen thermisch, elektrisch und mechanisch stabil sein. In der Batterieforschung kommt materialwissenschaftliches, elektrochemisches und Ingenieurwissen zusammen. Die Autoren Alexander Börger und Heinz Wenzl geben mit diesem Buch einen umfassenden und kompakten Überblick zu den Grundlagen, Systemen und Anwendungen der Batterietechnik. Es werden Hintergründe zum Aufbau von Batterien und grundlegende Prozesse anschaulich erläutert. Anhand vieler Beispiele wird gezeigt, wie das Wissen in die Praxis umgesetzt wird.

• Klarer Fokus: Das Buch legt den Schwerpunkt auf Batteriesysteme, ihre Eigenschaften im Betrieb und Anwendungen.
• Das Buch ist als Begleitlektüre zum Studium verwendbar.
• Wachstumsmarkt: Das Interesse an Elektromobilität und Batteriespeichern in der Stromversorgung wächst und damit auch der Bedarf an Batteriesystemen.
• Anwendungsnah: Fallbeispiele aus der aktuellen Batterieentwicklung setzen die Theorie in die Praxis um.

• Expertenwissen: Die Autoren verfügen über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Batterietechnik. Batterien: Grundlagen, Systeme, Anwendungen richtet sich an Ingenieurinnen und Ingenieure zur Einarbeitung in die Materie und als Nachschlagewerk sowie an Studierende als Begleitlektüre zu Vorlesungen.

  Inhalt

  1. Einleitung
     Was sind Energiespeicher? Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien und grundsätzliche Eigenschaften; Batterien sind nur eine Option zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung von Energiesystemen und stehen in Konkurrenz zu anderen Energiespeichertechnologien und alternativen Systemlösungen.
     TEIL 1: GRUNDLAGEN
  2. Elektrochemische Grundlagen
     Spannungs als Ergebnis einer Ladungsträgertrennung; thermodynamische Gleichgewichtsspannung (Nernst Gleichung) und Ruhespannung; Kinetik (Butler-Volmer-Gleichung); Haupt und Nebenreaktionen und Nutzung von Ersatzschaltbildern zur Verdeutlichung der Strompfade beim Entladen und Laden.
  3. Laden und Entladen von Zellen und Batterien
     Entlade- und Ladekurven sind für alle Batterietechnologien ähnlich und können durch die Butler-Volmer-Gleichung abgeleitet werden;
     Zellen in Reihe und die Notwendigkeit von Batteriemanagementsystemen bei Batterietechnologien ohne Nebenreaktionen.
  4. Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen
     Elektrochemische Anforderungen "Drei-Phasen-Grenze" diktiert den Aufbau aller Batterien (Elektroden mit großer makroskopischer Fläche, poröse Struktur mit sehr großer mikroskopischer Fläche und geringem Abstand)
  5. Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien
     Anisotrope Wärmeleitfähigkeit und inhomogene Wärmekapazität führt zu inhomogener Temperaturverteilung. Die Wärmeerzeugung hängt von der Stromamplitude (nicht-quadratisch) und von der Stromrichtung ab. Zellen können bei Stromfluss auch kälter werden.
  6. Alterungseigenschaften von Zellen und Batterien
     Definition von Lebensdauerende als nicht mehr gewährleistete Funktionserfüllung; Lebensdauerprognosemodelle
  7. Zustandsbestimmung von Zellen und Batterien
     Ladezustand - komplexer Begriff und schwierige Bestimmung, State of Energy, State of Health and State of Function, State of Safety
  8. Batteriemodelle
     Shepherd-Modell als Basis für Look-up Tabellen; Fokus auf Ersatzschaltbildmodelle wegen unmittelbarer Verständlichkeit, örtlich aufgelöste Modelle zur Darstellung von Inhomogenitäten
  9. Parameterbestimmung
     Kapazität und Innenwiderstand in Abhängigkeit von Temperatur, Stromamplitude und Stromrichtung, Messung von Relaxationszeiten im Zeitbereich oder Frequenzbereich
  10. Batterieanalytik
      Übersicht über die üblichen Methoden zur Bestimmung von Materialeigenschaften
      TEIL 2: SYSTEME
  11. Übersicht über Batteriesysteme
      Die Dominanz von Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien ist das Ergebnis ihrer technischen und wirtschaftlichen Überlegenheit für viele wichtige Anwendungsbereiche.
  12. Blei-Säure-Batterien
      Umfassende Darstellung der elektrochemischen Grundlagen, Materialien, Eigenschaften und Einsatzgrenzen
  13. Lithium-Ionen-Batterien
      Umfassende Darstellung der elektrochemischen Grundlagen, Materialien, Eigenschaften und Einsatzgrenzen
  14. Andere Batterietechnologien
      Übersicht über kommerziell noch oder in Zukunft vielleicht relevante Batteriesysteme
      TEIL 3: ANWENDUNGEN
  15. Übersicht über Anwendungen
      Kenntnis des Leistungsverlaufs im Detail ist entscheidend. Batterien werden meistens mit hoher Stromdynamik betrieben (Wechselstromanteil kann Gleichstromanteil deutlich übersteigen).
      Wirkungsgrad als problematische Kenngröße
  16. Starterbatterien für Fahrzeuge (Starting, lighting, ignition, SLI)
      Überwiegend noch Blei-Säure-Batterien wegen Kostengründen und guten Tieftemperatureigenschaften ? dass Gute ist der Feind des Besseren
  17. Batterien für die Elektromobilität
      Fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batterien ? zukünftig der dominierende Markt
  18. Traktionsbatterien für den innerbetrieblichen Transport
      Unterordnung unter die betrieblichen Anforderungen (Preis, Gewicht selten ein Nachteil und oft vorteilhaft). Lithium-Ionen-Batterien noch seltene Ausnahmen
  19. Stationäre Anwendungen von Batterien
      Sehr inhomogener Markt mit sehr unterschiedlichen Anforderungen
  20. Batterien für portable Anwendungen
      Inzwischen fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batterien mit der bei weitem höchsten Stückzahl.
      Anhang A: Übersicht über Begriffe
      Anhang B: Sicherer und umweltverträglicher Umgang mit Batterien
      Anhang C: Normenübersicht
      Anhang D: Elektrochemische Impedanzspektroskopie
      Anhang E: Säureschichtung