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Batteriespeichersystemtechnik > 2. Grundlagen elektrochemischer Speicher > Flashcards

2. Grundlagen elektrochemischer Speicher Flashcards

1
Q

Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle - Eigenschaften
1. Stromableiter müssen … … sein und
eine … … aufweisen
2. Aktivmassen sind meist … und haben eine
große innere …
3. Ein Elektrolyt ist ein … und für Elektronen
ein …
Es gibt wässrige, flüssige nicht-wässrige
Elektrolyte und Festkörperelektrolyten
5. Der Separator dient der … … der
Aktivmassen voneinander und muss
… sein
s.3

A
  1. chemisch stabil, hohe Leitfähigkeit
  2. porös, Oberfläche
  3. Ionenleiter, Isolator
  4. elektrischen Isolierung, ionenpermeabel
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2
Q

U gleichgewicht
Ist eine Funktion der …
und der Temperatur,
hängt in Bleibatterien
stark vom … ab

A

Elektrolytkonzentration
Ladezustand

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3
Q

U wiederstand

A

Ohm‘sche Verluste in
Polen, Ableitern,
Gittern und Elektrolyte

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4
Q

U reaktion
Spannungsabfall durch die
… und …
Reaktionen Butler- Volmer-Gleichung)

A

elektrochemischen, chemischen

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5
Q

U diffusion
Spannungsabfall durch … oder … von
Reaktanten an den Reaktionsorten

A

Defizit, Überschuss

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6
Q

Ruhespannung
Die Ruhespannung kann an der Batterie im
unbelasteten Zustand gemessen werden, wenn
alle Ausgleichsvorgänge abgeklungen sind
Die Batteriespannung ist beim Entladen immer
geringer als die Ruhespannung beim jeweiligen
Ladezustand
Die Batteriespannung ist beim Laden immer höher
als die Ruhespannung beim jeweiligen
Ladezustand
Abweichungen von der Ruhespannung sind
Verluste.b

A
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7
Q

Energie
Die Ruhespannung (Gleichgewichtsspannung)
multipliziert mit der Kapazität definiert die maximal
aus der Batterie entnehmbare Energiemenge
Die Kapazität hängt linear mit der Menge der
vorhandenen Elektrodenmaterialien zusammen
Dabei wird die Batteriezelle nie bis 0 V entladen
Abweichungen von der Ruhespannung multipliziert
mit dem anliegenden Strom ist die Verlustenergie

A
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8
Q

Entnehmbare Strommenge in Ah
1. Nennkapazität
2. Betriebskapazität
3. Entladegrenze

A. Zunahme der Kapazität bei … … (schnellere Diffusion, geringere Überspannung wegen größerer
Reaktionsgeschwindigkeit)
B. Abnahme der Kapazität bei steigendem …
C. Ladezustand: … bei Vollladung (unabhängig von der Kapazität)

A
  1. Entnehmbare Strommenge bei Nennbedingungen (Strom,
    Temperatur) nach Vollladung
  2. Kapazität unter Betriebsbedingungen
  3. Die Kapazität wird nur bis zur Entladeschlussspannung entnommen

A. steigender Temperatur
B. Entladestrom
C. 100 %

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9
Q

Wirkungsgrad hängt von der … ab

A

Spannungsantwort

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10
Q

Prinzipieller Aufbau einer Batterieanlagen
a. Spannung?
b. Kapazität?
c. Energiegehalt und Leistungsfähigkeit?
1. Serienschaltung von Batteriezellen
2. Parallelschaltung von Batteriezellen

A
  1. a. Erhöht die Spannung proportional zur Zellenzahl
    b. Die Kapazität bleibt unverändert
    c. Energiegehalt und Leistungsfähigkeit steigen
    proportional zur Zellenzahl.
  2. a. Erhöht die Kapazität proportional zur Zellenzahl
    b. Hält die Spannung unverändert
    c. Energiegehalt und Leistungsfähigkeit steigen
    proportional zur Zellenzahl
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11
Q

Verschaltungsmöglichkeiten
1. Verschaltung bestimmt … und …
■ Spannungslage ist unter dem Gesichtspunkt der elektrischen Sicherheit ein großes Thema
□ Hochvoltbatterien (typisch 400 – 700 V) bedürfen beim Personal einer Spezialschulung, ausgebildetes
Personal ist kaum zu finden
➔ Erhebliche Kosten in den Betriebshöfen
□ Niedervoltsysteme (typisch 48 V Nennspannung oder weniger) sind unterhalb der Schutzkleinspannung
können deshalb ohne Spezialtraining bedient werden, z.B. in der Telekommunikation seit Jahrzehnten
Standard
2. … der Batterien bringt viele Vorteile

A
  1. Spannungslage ,Zuverlässigkeit
  2. Modularität
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12
Q

Verschaltungsmöglichkeiten Eigenschaften s.21
1. Serienschaltung
2. Modulare Einzelstränge

A
  1. hohe Spannung & keine Redundanz
  2. ■ Geringe Spannung
    ■ Hohe Redundanz
    ■ Hohe Flexibilität bei Auswahl oder
    Alter der Zellen
    ■ Hoher BMS-Aufwand
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13
Q

Verschaltungsmöglichkeiten Eigenschaften s.22
1. Strangweise Parallelschaltung
2. Parallelschaltung auf Zellebene

A
  1. ■ Geringe Spannung
    ■ Hohe Redundanz
    ■ Geringe Wechselwirkungen
    bei Zellfehlern
    ■ Hoher BMS-Aufwand
  2. ■ Geringe Spannung
    ■ Hohe Redundanz
    ■ Geringer BMS-Aufwand
    ■ Querströme zwischen
    parallelen Zellen
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14
Q

UGleichgewicht ist eine Funktion der ?
- immer positiv
- Üblicherweise stark abhängig vom Ladezustand – entweder durch Konzentrationsabhängigkeit des
Elektrolyten oder sich ändernder stöchiometrischen Zusammensetzung der Aktivmaterialien

A

□ der Elektrolytkonzentration
□ der Materialzusammensetzung der Aktivmassen
□ der Temperatur
□ des Ladezustands

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15
Q

Thermodynamik zur Bestimmung der Gleichgewichtsspannung
1. Reaktionsenthalpie beschreibt …
2. Freie Reaktionsenthalpie (auch Gibb’sche freie Energie) beschreibt …
3. Entropie beschreibt …

Das Produkt TdeltaS gibt den Wärmeaustausch mit der Umgebung bei reversibler Versuchsführung
an (T– absolute Temperatur).
Dies gibt den minimalen Energieaustausch mit der Umgebung an, wenn durch
infinitesimal langsame Reaktionsabläufe ansonsten keine weiteren Energieverluste auftreten.

A
  1. die Menge der freigesetzten oder aufgenommen Energie während der Reaktion.
    Sie kann bestimmt werden aus dem Energiegehalt H der Reaktanten.
  2. die Menge der chemischen Energie, die in elektrische Energie umgewandelt
    werden kann (und umgekehrt)
  3. die Energieaufnahme bzw. -abgabe bei der chemischen oder elektrochemischen
    Reaktion durch die Veränderung des Ordnungsgrades der Aktivmassen auf kristalliner Ebene
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16
Q

Gleichgewichtsspannung von Bleibatterien
1. Gleichgewichtsspannung jeder Elektrode hängt von der… ab
2. Auf der Vorseite berechnete Ruhespannung gilt für eine einmolare …

A
  1. Säure-Konzentration
  2. Elektrolytkonzentration
17
Q

Einschub zur Veranschaulichung von Entropie: Doppelschichtkondensator s.48
1. Doppelschichtkondensatoren bestehen aus zwei …
2. Im Elektrolyten sind Salze gelöst, die als dissoziierte … vorliegen
3. Beim Laden balancieren die geladenen Ionen die … auf den … aus, beim
Entladen durchmischen sich die Ionen wieder
4. Um die Entropie des Systems zu erhöhen, muss … zugeführt werden.
5. Wärme wird der … entnommen, die dadurch abkühlt.
6. Beim Aufladen wird diese Wärme durch den … wieder frei.

A
  1. Kohlenstoffelektroden
  2. Ionen
  3. Ladungsträger, Elektroden
  4. Wärme
  5. Umgebung
  6. Ordnungsprozess
18
Q

UWiderstand: Ohm‘sche Verluste in Polen, Stromsammlern, Gittern und Elektrolyte
1. … und … proportional zu dem Lade- oder Entladestrom
2. Führt immer zu einem direkten … bei Beginn eines
Stromflusses
3. Beim Entladen ist der Term jeweils … , beim Aufladen …
(Definition der Stromrichtung: negativ, wenn die Batterie entladen wird)
4. Widerstand des … ist meist der größte Beitrag
5. Widerstand des Elektrolyten sinkt mit … … ,
Widerstand metallischer Elemente steigt mit steigender Temperatur

A
  1. Direkt, linear
  2. Spannungsabfall
  3. negativ, positiv
  4. Elektrolyten
  5. steigender Temperatur
19
Q

UWiderstand ► linear abhängig vom Batteriestrom
Ohm’sche Spannungsfälle
bedingt durch…?

A
  • Zellverbinder (Lockere Kontakte)
  • Stromsammler (Widerstand bleibt nahezu unverändert)
  • Gitter (Zunahme des Widerstands durch Korrosion (verringerter Querschnitt, Passiv- und Korrosionsschichten))
  • Aktivmasse (Reversible Änderung des Aktivmassenzustands)
  • Elektrolyt
20
Q

UReaktion: Spannungsabfall durch die elektrochemischen (Butler-Volmer-Gleichung)
und chemischen Reaktionen bei Stromfluss
1. Wird bedingt durch den eigentlichen Lade-/Entladeprozess an den beiden … .
2. Führt beim Laden der Batterie zu einer Erhöhung der Batteriespannung gegenüber der
Gleichgewichtsspannung und beim Entladen entsprechend umgekehrt.

A
  1. Elektroden
21
Q

Elektrodenkinetik
1. Zu jedem Zeitpunkt müssen anodische und
kathodische Reaktion mit … Rate i0
ablaufen
2. Im Gleichgewichtzustand (UGGW) sind die
Reaktionsraten gleich (i0), sie sind nicht … !
3. … Reaktion führt zur Entladung
(Oxidation = “Entzug von Elektronen”)
4. … Reaktion führt zur Ladung
(Reduktion = “Zuführung von Elektronen”)

A
  1. gleicher
  2. Null
  3. Anodische
  4. Kathodische
22
Q

UDiffusion ► verursacht durch Konzentrationsgradienten der Reaktanten
1. Abnahme von Reaktanten durch … Austausch mit Elektrolytreservoir
2. Blockade von Poren durch Kristallwachstum oder Abnahme der Porosität führt zu einer
… Abnahme der Reaktanten
3. … des Porenvolumen durch Änderung des spezifischen Volumens der Aktivmassen
während der Entladung
4. Abbau der Diffusionsüberspannung dauert einige Zeit, so dass sich die Spannung auch nach
Abschalten des Stroms noch ändert. Der Konzentrationsausgleich erlaubt nach einer Wartezeit
auch eine weitere Entladung der Batterie.

A
  1. langsamen
  2. beschleunigten
  3. Reduktion
    4.
23
Q

Wie viel Energie kann man mit einem elektrochemischen System speichern?
1. Elektrochemische Speicher sind massenbehaftete …
2. Potentialdifferenz von Materialien beträgt im günstigsten Fall unter … V.
3. Daraus lassen sich theoretische … Energiedichten bestimmen. Denen kann man sich versuchen asymtotisch zu nähern, mehr geht nicht.
4. Praktische Energiedichten sind erheblich … , weil Trägermaterialien, Elektrolyte, Separatoren,
Stromsammler und Gehäuse benötigt werden (Faustformel: 1/3 der theoretischen Energiedichte ist
realisierbar).
■ Grundsätzlich gilt: Je höher das Potential, desto aggressiver die Materialien ➔ Sicherheitsrisiko,
Lebensdauerproblem

A
  1. Speichersysteme
  2. 6
  3. maximale
  4. geringer
24
Q

Zusätzliche Anteile, die praktische Kapazität von Lithium-Ionen Batterien

A
  • Zellgehäuse
  • Stromsammler
  • Separator
  • Elektrolyt
  • Überdimensionierung des Aktivmaterials
  • Beispielzelle hat einen Anteil von 60%
    passiver Materialien
25
Q

Motivation für verschlossene Batterien mit interner Gasrekombination
1.. Geschlossene Batterien haben einen … Elektrolyten , der austreten und zu Verätzungen führen kann.
2. Batterien mit … Elektrolyten setzen bei Überladung erhebliche Mengen an Wasserstoff-
und Sauerstoffgas frei.
3. Batterieräume für … Batterien müssen eine ausreichende Lüftung zur Vermeidung von
kritischen Knallgaskonzentrationen haben.
4. Geschlossene Batterien benötige eine regelmäßige Nachfüllung von entionisiertem Wasser zum
Ausgleich der … .

A
  1. flüssigen
  2. wässrigem
  3. geschlossene
  4. Gasungsverluste

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