Erläutern Sie allgemein die Definition „Energiespeicher“
Energiespeicher speichert produzierte Energie, die zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann.
Nennen und erklären Sie 4 Energieformen und Speichersysteme.
Vier Speicher:
thermische (Wärmespeicher)
kinetisch (Schwungradspeicher)
elektrisch (Doppelschicchtkondensator)
chemisch (Benzin)
Energieformen:
Radioaktivität
chemische Energie
Höhenenergie
elektrisches Potential
elektrizität
temperatur
Wärme
Bewegung
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: Nennkapazität
Die Kapazität, die in einer Batterie gespeichert werden kann, wird in der Einheit Ah angegeben. Die Nennkapazität entspricht der Kapazität bei einem Entladevorgang unter normalen Bedingungen:
T = 25°C
Entladezeit 1 Stunde
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: Spezifische Energiedichte
Die spezifische Energiedichte beschreibt die in der Batterie gespeicherten Energie bezogen auf die Masse der Batterie.
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: Entladeschlussspannung
Die Entladeschlussspannung ist die minimal erlaubte Spannung im Entladevorgang einer Zelle. Unterhalb dieser Spannung treten irrversible Schäden durch Korrosion an den Kollektoren auf.
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: Ladeschlusspannung
Die Ladeschlussspannung ist die maximale Spannung einer Zelle. Laden oberhalb dieser Spannung ist gefährlich und kann zu einer Explosion führen.
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: SOC
Der State of Chagre (SOC) beschreibt das Verhältnis von verfügbaren Kapazität und Nennkapazität.
SOC = C verfügbar / C Nenn * 100 %
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: SOH
Der State of Health beschreibt die Alterung der Zelle.
SOH = C momentan verfügbar / C Nenn * 100 %
Ab 80 % SOH hat die Zelle das Lebensende erreicht. Eine weitere Nutzung ist eingeschränkt möglich.
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: SOF
State of Function bezeichnet die Leistungsfähigkeit der Batterie.
SOF = Momentan verfügbare Leistung / P_nenn
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: DOD
Der Depth of Dischrage (DOD) beschreibt das Verhltnis von der entladenen Kapazität zur Nennkapazität
DOD = C Entladen / C Nenn * 100 %
Erklären Sie die folgenden Begriffsdefinitionen: C-Rate
Die C-Rate stelle ein Maß für die Stressung der Zelle dar und ist defininiert als:
C-Rate = I / C Nenn
Eine C-Rate von 1 entspricht dem nominalen Entladestrom.
Geben Sie eine Übersicht über die Klassifizierung der Lithium Ionen Systeme.
Was ist thermal Runaway bei Lithium-Ionen Batterien? Machen sie eine Skizze. Zeichnen sie mindestens 3 Kathodenvarianten ein.
Wie funktioniert eine Lithium Ionen Batterie Machen sie eine Skizze, beschreiben sie die Reaktionen, benennen sie die wichtigsten Komponenten.
Erklären sie den Begriff SEI, machen sie eine Skizze.
Das Solid Electrolyte Interphase bildet sich in Lithium-Ionen-Akkus an der Grenzfläche zwischen der Anode und Elektrolyt.
Geben sie einen Überblick über die Anodenmaterialien. Beschreiben sie die Eigenschaften.
Geben sie einen Überblick über die Kathodenmaterialien. Beschreiben sie die Eigenschaften.
Geben sie einen Überblick über Elektrolyten- und Separatoren. Beschreiben sie die Eigenschaften
Erklären sie den Unterschied zwischen Hochenergie und Hochleistungszellen. Nennen sie die wichtigsten Kennzahlen.
Hochenergie: 160 - 180 kWh/kg + 10 W/kg
Hochleistung: 8 kW/kg + 50 Wh/kg
Zeichnen sie Qualitativ ein Ragone Diagramm welche die Energie- und Leistungsdichte von Blei-, Ni-Cd-, NiMh-, LIPO, und Lithium Ionen Batterien zeigt. Ordnen sie LTO, LFP, NMC, NCA Zellen bezüglich Leistungs-/Energiedichte ein. Bewerten sie auch die Sicherheit, den Preis/kWh, den inneren Widerstand und die Zyklisierbarkeit der verschiedene Zellchemievaranten ein (nur für Li-Ionen Zellen).
Welche Folienanordnungen bei Lithium Ionen Batterien kennen sie? Machen sie eine Skizze.
Skizzieren und Erklären sie die verschiedenen Schichtstrukturen der Kathoden..
Beschreiben und erklären sie die Alterungseffekten von Lithium-Ionen Zellen. Wie äußern sich die Alterungseffekten auf den Betrieb der Zelle?
Lithium-Plating
volumetrische Ausdehnung
Microrisse
parasitäre Reaktionen
Binder versagt
Kollektorkorrosion
Kontaktierung leitender Partikel versagt
strukturelle Unordung durch Jahn-Teller-Effekt
SEI löst sich auf
Seperator löst sich auf
Verringerung der Kapazität + Erhöhung des Innenwiderstandes -> Verringerung der Effizienz -> erhöhter Kühlbedarf
Anode und Grafit
Lithium-Plating: Li+ lagert sich in SEI an und SEI wächst
Nadel machen KS
volumetrische Ausdehnung und Kompression Grafit ist primärer Grund für Alterung
Elektrolyt?
Kathode nicht so signifikant
Jahn-Teller-Effekt (Unordnung) (Li+ lagert sich an bestimmten stellen an -> Schichtstruktur geht kaputt + Spannungen und Mikrorisse)
Mikrorisse: Unterbrechungen der leitenden Partikel (e- kann nicht Lithiummetalloxid verlassen)
hohe Temperaturen zerstören den Kleber, der alle Bestandteile verbindet (chemische Produkte werden freigesetzt -> Reaktionen mit Elektrolyt oder anden Partikeln)
Verlust der leitenden Partikel
parasitäre Reaktionen (neue Beschichtung verhindert Li+ enlagern)
Teifentladen: Alu versagt und gibt e- frei = Korrosion
Zeichnen und erklären sie das Sicherheitsfenster (als Funktion von der Temperatur und der Spannung) für den Betrieb einer Lithium Ionen Batterien.
Zeichnen sie die Lebensdauer als Funktion der Entladetiefe und Temperatur, definieren sie den Begriff DOD, geben sie ein Beispiel.
Beschreiben sie den Begriff „Thermal Runaway“.
unkontrollierte Freisetzung dieser Energie
sich selbst beschleunigenden Vorgang
Der Thermal Runaway wird durch eine zellinterne exotherme Reaktion ausgelöst
Erklären sie den Unterschied zwischen aktive- und passive Sicherheit. Nennen sie einige Beispiele.
aktiv: alle Systeme, die aktiv eingreifen können, um z.B. kritische Situationen zu meistern/zu vermeiden
passiv: sämtliche konstruktiven Maßnahmen, die dazu dienen, das Batteriesystem zu schützen und die Schwere der Auswirkungen zu vermeiden
passiv:
PTC, CID, Sicherungen, bimetallische Trennschalter, Dioden, Schmelzsicherungen
Ventile, keramischer Seperator, Materialien (TP LiFePo4)
aktiv: durch BMS (abschalten bei Überladen, Tiefentladen, Überhitzen), Spannungsüberwachung jeder Zelle, Strom und Leistung überwachen, Laden/Entladen überwachen, Temperatur überwachen, Thermomanagement
Nennen sie 5 mögliche Ursachen die zu einem Ausfall der Li-Ionen Batterie führen können, beschreiben sie den Fehlermechanismus Stichwortartig
Lithium-Plating -> Seperator wird penetriert
Crash
Überladen: Elektrolyt + Ausgasen und Explosionsgefahr
Hitzeentwickung: volumetrische Ausdehnung + alterung
Tiefentladen: Korrosion Stromableiter
Nennen und Beschreiben sie die Anforderungen an einem Batteriemanagementsystem für vielzelleigen Lithium Ionen Batterien.
Modular
autonome module
Thermomanagement
Balancing
Aktive Sicherheit: Zellspannung, Strom, Laden, Entladen, Thermomanagement
Nennen und Beschreiben sie die 13 Prozessschritte zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie.
Mixen: Anoden/Kathodenmaterial werden in einem Mixer aus Aktivmaterial, Lösungsmittel, Binder und Additiven gemischt und in einem Slurry-Behälter gefüllt.
Beschichten: Die Stromkollektorfolien werden mit dem Slurry beschichtet. Die Schichtdicke wird überwacht.
Trocknen: Die Folie wird in einem Schwebebahntrockner innerhalb verschiedener Temperaturzonen getrocknet
Kalendrieren: Beim Kalendrieren werden die Folien auf eine bestimmte Schichtdicke komprimiert. Anschließend werden die Folien gereinigt und aufgewickelt (mothercoil).
Schneiden: Das Mothercoil wird geschnitten, sodass daughtercoils entstehen. Dabei entstehende Partikel werden abgesaugt.
Vakuum trocknen. Die Daughtercoils werden im Vakkum getrocknet. Hier werden keine hohen Temperaturen genutzt, um die Materialien nicht zu zerstören.
Singulieren: Dieser Schritt ist nur bei Pouchzellen wichtig. Dabei werden die Anoden-/Kathodenfolien von der Daughtercoil heraus getrennt. Dabei wird auch ein unbeschichteter Bereich getrennt, der zur Verbindung der Kontaktfahnen dient.
Stacking und wicjeln: Pouchzellen werden aus Anode/Seperator /Kathode/Seperator gestapelt (Z-Falten). Primsatische und Rundzellle werden um einen Kern gewickelt. Es entsteht eine Jellyroll.
Gehöuse: Zunächst müssen die Zellableiter kontaktiert werden. Dann wird der Stack bzw. die Jellyroll in die Verpackung eingebracht. Anschließend werden die Zellen verschloßen (Pouch teil versiegeln/verschließen)
Elektrolyt: Der Elektrolyt wird über eine Nadel eingefüllt. Dabei muss der Elektrolyt überall in der Zelle verteilt werden. Bei den Pouchzellen wird das Gas seperat in einer Gastasche aufgefangen. Prismatische und Pouchzellen werden im Pre-Aging hinsichtlich Deformation durch Gas beobachtet.
Formation: Ersten Lade- und Entladevorgänge finden statt. SEI wird gebildet.
Entgasen: Gastasche wird abgetrennt. Kanten des Pouchbags werden gefaltet.
Altern: Da nicht alle Fehelrfälle direkt messbar sind, wird die Zelle gealtert. Dabei wird der Spannungsabfall gemessen. Die Zelle wird mit einem Barcode ausgestattet.
Mischen
Beschichten
Trocknen
Kalendrieren: Beim Kalendrieren werden die Folien auf eine
Kalandern
Slitten
Vakuum trocknen
Vereinzeln
Stapeln und wickeln
Einbringen in die Verpackung
Elektrolytbefüllung
Formation
Entgasen, Verschließen und Falten
Altern
Welche Prozessschritte unterscheiden sich in der Herstellung einer Pouch Zelle im Vergleich zu einer prismatischen Zelle.
Slitten(?)
Vereinzeln nur bei Pouch
Pouch: Stapeln
Prismatisch: wickeln
Einbringen in die Verpackung Pouch: Ableiterfolien mit Zellfolien verbinden Prismatisch: Ableiterfolien mit Terminals verbinden
Elektrolytbefüllung: Aging nur bei Prismatisch - Pouch hat Gastasche
Entgasen, Verschließen und Falten: nur Pouch
Schneiden
Gehäuse
Entgasen
Stacking and Wrapping
Packing in the cell housing
Filling with elelctrolyte
Last changeda year ago
