Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Blei-Akku Funktionsweise Carmenfarben
Bleiakkumulatoren verwenden als Elektroden Bleiplatten, wobei sich am Pluspol im geladenen Zustand Blei(IV)-oxid ausbildet. Im ungeladenen Zustand lagert sich an beiden Platten eine Schicht aus Blei(II)-sulfat an. Als Elektrolyt wird Schwefelsäure (H2SO4) verwendet.

Bleiakkumulatoren sind schon sehr lange im Einsatz und gelten daher als technisch ausgereift. Zudem sind sie günstig in der Anschaffung (600-800 €/kWh). Nachteile sind allerdings die geringe Energiedichte (30-50 Wh/kg) und die vergleichbar geringe Zyklenzahl (max. 2.500), bedingt durch das langsame Aufbrauchen des Elektrolyten beim Be- und Entladen. Auch die nutzbare Kapazität liegt nur bei 50-60 %. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Bauarten:

  • Blei-Säure-Akkumulator

Als Elektrolyt wird beim Blei-Säure-Akkumulator flüssige Schwefelsäure verwendet, wobei die Säuredichte hier ein Maß für den Ladungszustand des Akkus darstellt. Der Nachteil bei der Verwendung flüssiger Säure ist die Gefahr des Ausgasens von Wasserstoff und Sauerstoff bei zu hohen Ladeströmen, was eine Knallgasexplosion hervorrufen kann. Zudem ergibt sich für Blei-Säure-Akkumulatoren ein höherer Wartungsaufwand.

  • Blei-Gel-Akkumulator

Hier wird durch den Zusatz von Kieselsäure die flüssige Schwefelsäure gebunden. Dadurch wird die  Durchmischung der Säure verhindert, welche für Kapazitätsverluste verantwortlich ist. Zudem sind Blei-Gel-Akkumulatoren gegen Ausgasen geschützt. Durch den geringeren Wartungsaufwand ist der Preis für Blei-Gel-Akkus etwas höher als für Blei-Säure-Akkus. Aufgrund ihres hohen Gewichtes werden sie überwiegend für stationäre Anwendungen gebraucht.

 

Li-Ionen-Akku-Funktionsweise Carmenfarben
Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwenden als negative Elektrode in der Regel Graphit mit eingelagerten Lithium-Ionen. Als Materialien für die positive Elektrode werden je nach Typ des Li-Ionen-Akkus unterschiedliche Lithium-Metalloxide verwendet. Beispiele sind hier Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickeloxid (LiNiO2) oder auch Lithium-Manganoxid (LiMn2O4). Als Elektrolyt werden Lithiumsalze gebraucht. Da Lithium eine sehr hohe Reaktivität aufweist, können keine wässrigen Lösungsmittel im Elektrolyt verwendet werden.

Der Vorteil dieser Technologie liegt in der Tatsache, dass die Lithium-Ionen keine chemischen Verbindungen eingehen, sondern lediglich durch die Elektronenaufnahme bzw. –abgabe zwischen dem atomaren Schichtgitter des Graphits und der Gitterstruktur der Metalloxide wandern und sich dort einlagern. Das Entladen des Akkus erfolgt dabei durch Auslagerung der Ionen aus der Graphitkathode und dem Einbau in die Metalloxid-Anode. Beim Beladen des Akkus erfolgt die Bewegung der Ionen in die andere Richtung.

Alle Typen weisen gegenüber Bleiakkumulatoren eine deutlich höhere nutzbare Kapazität auf. Sie zeichnen sich zudem über eine stärkere Entladetiefe (ca. 80 %) und eine deutlich höhere Zyklenzahl (bis zu 7.000) sowie eine geringere Selbstentladung aus. Ein weiterer Vorteil liegt in der höheren Energiedichte von bis zu 200 Wh/kg. Allerdings stehen diesen Vorteilen Nachteile im Bereich der Sicherheit und der Kosten sowie der Ressourcenverfügbarkeit entgegen.
Im Folgenden werden einige Li-Ionen-Akkus aufgeführt:

 

  • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator

Die positive Elektrode dieses Lithium-Ionen-Akkus besteht aus Lithiumcobaltdioxid (LiCoO2), die negative Elektrode aus Graphit.
Mit dieser Technologie können sehr hohe Leistungsdichten erreicht werden, allerdings besteht auch die Gefahr der Überhitzung, welche z. B. durch unkontrolliertes Überladen entstehen kann. Es kann dann zu einer sich selbst verstärkenden chemischen Reaktion, dem sog. "thermal runaway" („thermisches Durchgehen“) kommen. Diesem Effekt kann durch ein in den Speicher integriertes intelligentes Batteriemanagementsystem entgegengewirkt werden. 

 

  • Lithium-Polymer-Akkumulator

Hier bestehen die positive Elektrode wieder aus einem Lithium-Metalloxid, die negative Elektrode aus Graphit. Als Elektrolyt wird eine Folie auf Polymerbasis verwendet, die gleichzeitig als Separator zwischen den Elektroden fungiert. Da diese nicht flüssig ist, muss nicht zwangsmäßig ein festes Gehäuse verwendet werden, so dass dieser Akku-Typ in unterschiedlichen Formen verbaut werden kann. Die Zellen können in Folienbauweise hergestellt werden, wobei die Dicke einer Zelle weniger als 0,1 mm beträgt.
Da die Energiedichte und damit die Kapazität des Lithium-Polymer-Akkus nicht höher sind als bei anderen Lithium-Ionen-Akkus, konnte sich dieser Akku-Typ nur in Nischen durchsetzen. Der Einsatz dieser Akkumulatoren erfolgt besonders dort, wo ultradünne Geometrie (z. B. bei Kreditkarten) bzw. Flexibilität notwendig sind. Lithium-Polymer-Akkumulatoren werden heute oft in Mobiltelefonen verwendet. 

 

  • Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator

Bei dieser Technologie ist die positive Elektrode als Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode ausgeführt. Auf der Anodenseite findet sich wiederum Graphit. Diese Materialkombination erhöht speziell die Leistungsdichte dieses Akkus. Auch hier ist wegen der Verwendung eines festen Elektrolyts ein thermisches Durchgehen so gut wie ausgeschlossen, was diesen Akku-Typ sehr sicher macht.

 

  • Lithium-Titanat-Akkumulator („nano-safe-battery“)

Der Lithium-Titanat-Akku ersetzt das Graphit der negativen Elektrode durch ein nanostrukturiertes Lithium-Titanat (Li4Ti5O12). Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Titanoxid und weist einen ähnlichen Aufbau wie die Lithium-Metalloxidelektroden auf. Dieser Akku-Typ zeichnet sich durch seine besonders lange Lebenszeit, seine extrem hohe Leistung und den weiten Betriebstemperaturbereich (zwischen -35 °C bis +75 °C) aus. Diese Vorteile resultieren unter anderem aus der größeren Oberfläche durch die Nanostruktur des Akkus. Allerdings besitzt dieser Akkumulator aufgrund seiner relativ geringen Zellspannung nur eine geringe Energiedichte.

 

Redox-Flow-Schema Carmenfarben
Das Besondere an Redox-Flow-Batterien liegt in der Tatsache, dass die Energiespeicherung und
-umwandlung nicht wie bei anderen Batteriesystemen am selben Ort stattfindet (in der galvanischen Zelle), sondern räumlich getrennt voneinander. Redox-Flow-Batterien besitzen einen externen Energiespeicher, was den großen Vorteil der beliebigen Skalierbarkeit bietet. Das Wort „Redox“ steht für die beiden stattfindenden elektrochemischen Reaktionen Reduktion und Oxidation, die bei fast allen Batteriesystemen stattfinden. „Flow“ meint die in flüssiger Form vorliegenden elektrochemisch aktiven Materialien (Metallsalzlösungen + Elektrolyt), die in Tanks außerhalb gelagert werden. Der Unterschied zu den klassischen Batterietypen liegt in der Verwendung geeigneter Katalysatoren als Elektroden. Die Batteriezelle ist in zwei Hauptkammern aufgeteilt, die durch eine nur für H+-Ionen durchlässige Membran getrennt werden. In den Halbkammern befindet sich jeweils eine Elektrode, jeweils aus einem Graphitvlies bestehend. Der Vorteil des Graphitvlieses liegt in seiner Porösität, die eine große Reaktionsoberfläche bedingt. Beim Be- und Entladen ändert sich das Mischungsverhältnis von geladenem und entladenem Elektrolyt.

Im äußeren Stromkreis fließt elektrischer Strom, während zum Ladungsausgleich positiv geladene Ionen durch die Membran diffundieren. Bisher existieren Anlagen mit bis zu 5 MWh Kapazität. Es sind jedoch auch Speicheranlagen von bis zu 120 MWh geplant. Aufgrund ihres Gewichtes ist ein Redox-Flow-Akkumulator eher für stationäre Anwendungen, z. B. für den Inselbetrieb geeignet. Die Investitionskosten können je nach Größe stark schwanken zwischen 200 bis 2.000 €/kWh.

Der Vorteil dieses Systems ist die unabhängige Dimensionierbarkeit und räumliche Trennbarkeit von Konverter und Tanks. Die Tankgrößen bestimmen dabei den Energieinhalt. Das System ist unempfindlich gegenüber Tiefenentladung und weist keinen Memory-Effekt sowie nur eine sehr geringe Selbstentladung auf. Der Nachteil von Redox-Flow-Batterien liegt in der niedrigen Energiedichte von 10-30 Wh/kg.

 

  • Vanadium-Redox-Flow

Bei einer Redox-Flow-Batterie auf Basis von Vanadium enthalten die Tanks Vanadiumsalze als Elektrolyt, die in zwei verschiedenen Schwefelsäuren gelöst sind. Das Metall Vanadium kann sowohl im positiven als auch im negativen Elektrolyten verwendet werden, da es in vier verschiedenen Oxidationsstufen existiert und sich als stabil ausweist. So setzt man kathodenseitig vier- und fünfwertiges, anodenseitig zwei- und dreiwertiges Vanadium ein. Wichtig hierbei ist die Trennung der beiden Flüssigkeitskreisläufe durch die ionenleitende Membran, da es sonst zu einer Vermischung der beiden Fluide kommen und folglich zu einer vollständigen Selbstentladung. Eine mögliche Wiederaufladung ist in einem solchen Fall nicht gegeben.

Beim Entladen wird das fünfwertige Vanadium an der positiven Elektrode zu einem vierwertigen reduziert. An der negativen Elektrode wird gleichzeitig das zweiwertige Vanadium zu einem dreiwertigen oxidiert.

Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie zeichnet sich durch ihre Robustheit und Einfachheit aus. Die Vorteile einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie liegen zum einen in ihrer hohen Anzahl an Lebenszyklen von ca. 10.000 und in Ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Tiefenentladung. Zum anderen gibt es so gut wie keine Selbstentladung, weshalb das System auch für lange Speicherzeiten geeignet ist. Zudem ist der coulombsche Wirkungsgrad mit 80 - 85 % sehr hoch. Der energetische Wirkungsgrad liegt, aufgrund von Verlusten z. B. durch den Energieverbrauch der Pumpen, bei ca. 75 %.

 

  • Polysulfid-Bromid-Redox-Flow

Bei diesem System handelt es sich um eine Neuentwicklung, die sich besonders für Anwendungen mit Entladezeiten bis zu mehreren Stunden im MW-Leistungsbereich eignet. Der Aufbau einer Polysulfid-Bromid-Redox-Flow-Batterie ähnelt dem des Vanadium-Systems. Die Elektroden sind allerdings bipolar ausgeführt. Die Elektrolyte bestehen aus konzentrierten Natriumbromid- (NaBr) und Natriumpolysuflid (Na2Sx)-Lösungen. Eine Polymermembran dient als Separator für die beiden Elektrolyten. Diese ist gleichzeitig aber für Na+-Ionen durchlässig

Auch bei diesem Batteriesystem liegt der Wirkungsgrad über 75 %, die Energiedichte hingegen ist mit 25 - 50 Wh/kg im Vergleich zu einem reinen Vanadium-System doppelt so hoch. Bisher existieren einige Pilotanlagen.

 


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