Lithiumbatterien unterscheiden sich von anderen Batteriechemien durch ihre hohe Energiedichte und die geringen Kosten pro Zyklus. "Lithiumbatterie" ist jedoch ein mehrdeutiger Begriff. Es gibt ungefähr sechs gängige Chemikalien für Lithiumbatterien, die alle ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien ist Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) die vorherrschende Chemie. Diese Chemie hat eine ausgezeichnete Sicherheit mit großer thermischer Stabilität, hohen Stromstärken, langer Lebensdauer und Missbrauchstoleranz.
Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) ist im Vergleich zu fast allen anderen Lithiumchemien eine äußerst stabile Lithiumchemie. Die Batterie besteht aus einem natürlich sicheren Kathodenmaterial (Eisenphosphat). Im Vergleich zu anderen Lithiumchemien fördert Eisenphosphat eine starke molekulare Bindung, die extremen Ladebedingungen standhält, die Lebensdauer verlängert und die chemische Integrität über viele Zyklen beibehält. Dies verleiht diesen Batterien ihre große thermische Stabilität, lange Lebensdauer und Missbrauchstoleranz. LiFePO4-Batterien sind weder anfällig für Überhitzung noch für „thermisches Durchgehen“ und überhitzen oder entzünden sich daher nicht, wenn sie strengen Misshandlungen oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
Im Gegensatz zu überfluteter Blei-Säure und anderen Batteriechemikalien entlüften Lithium-Batterien keine gefährlichen Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff. Es besteht auch keine Gefahr, ätzenden Elektrolyten wie Schwefelsäure oder Kaliumhydroxid ausgesetzt zu werden. In den meisten Fällen können diese Batterien auf engstem Raum ohne Explosionsgefahr gelagert werden, und ein ordnungsgemäß ausgelegtes System sollte keine aktive Kühlung oder Entlüftung erfordern.
Lithiumbatterien sind eine Baugruppe, die aus vielen Zellen besteht, wie Blei-Säure-Batterien und vielen anderen Batterietypen. Blei-Säure-Batterien haben eine Nennspannung von 2 V / Zelle, während Lithium-Batteriezellen eine Nennspannung von 3,2 V haben. Um eine 12-V-Batterie zu erhalten, sind normalerweise vier Zellen in Reihe geschaltet. Dadurch wird die Nennspannung eines LiFePO4 auf 12,8 V erhöht. Acht in Reihe geschaltete Zellen bilden eine 24-V-Batterie mit einer Nennspannung von 25,6 V, und sechzehn in Reihe geschaltete Zellen ergeben eine 48-V-Batterie mit einer Nennspannung von 51,2 V. Diese Spannungen funktionieren sehr gut mit typischen 12V-, 24V- und 48V-Wechselrichtern.
Lithiumbatterien werden häufig verwendet, um die Blei-Säure-Batterien direkt zu ersetzen, da sie sehr ähnliche Ladespannungen haben. Ein vierzelliger LiFePO4-Akku (12,8 V) hat normalerweise eine maximale Ladespannung zwischen 14,4 und 14,6 V (abhängig von den Empfehlungen des Herstellers). Das Besondere an einer Lithiumbatterie ist, dass sie keine Absorptionsladung benötigt oder über einen längeren Zeitraum in einem konstanten Spannungszustand gehalten werden muss. Wenn der Akku die maximale Ladespannung erreicht, muss er normalerweise nicht mehr aufgeladen werden. Einzigartig sind auch die Entladungseigenschaften von LiFePO4-Batterien. Während der Entladung halten Lithiumbatterien eine viel höhere Spannung aufrecht als Blei-Säure-Batterien normalerweise unter Last. Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Lithiumbatterie nur ein paar Zehntel Volt von einer vollen Ladung auf 75% entladen fällt. Dies kann es schwierig machen zu sagen, wie viel Kapazität ohne Batterieüberwachungsgeräte verbraucht wurde.
Ein wesentlicher Vorteil von Lithium gegenüber Blei-Säure-Batterien besteht darin, dass sie nicht unter einem Defizitzyklus leiden. Dies ist im Wesentlichen der Fall, wenn die Batterien nicht vollständig aufgeladen werden können, bevor sie am nächsten Tag wieder entladen werden. Dies ist ein sehr großes Problem bei Blei-Säure-Batterien und kann bei wiederholtem Zyklus auf diese Weise einen erheblichen Plattenabbau fördern. LiFePO4-Batterien müssen nicht regelmäßig vollständig aufgeladen werden. Tatsächlich ist es möglich, die allgemeine Lebenserwartung mit einer geringen Teilladung anstelle einer vollständigen Ladung geringfügig zu verbessern.
Effizienz ist ein sehr wichtiger Faktor beim Entwurf von Solarstromanlagen. Die Round-Trip-Effizienz (von voll zu tot und zurück zu voll) der durchschnittlichen Blei-Säure-Batterie beträgt etwa 80%. Andere Chemikalien können noch schlimmer sein. Die Round-Trip-Energieeffizienz einer Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie liegt zwischen 95 und 98%. Dies allein ist eine signifikante Verbesserung für Systeme, die im Winter keinen Solarstrom mehr haben. Die Kraftstoffeinsparungen durch das Laden des Generators können enorm sein. Die Absorptionsladestufe von Blei-Säure-Batterien ist besonders ineffizient, was zu Wirkungsgraden von 50% oder sogar weniger führt. Da Lithiumbatterien keine Ladungsaufnahme absorbieren, kann die Ladezeit von vollständig entladen bis vollständig voll nur zwei Stunden betragen. Es ist auch wichtig zu beachten, dass eine Lithiumbatterie eine nahezu vollständige Entladung ohne nennenswerte nachteilige Auswirkungen erfahren kann. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass die einzelnen Zellen nicht übermäßig entladen werden. Dies ist die Aufgabe des integrierten Batteriemanagementsystems (BMS).
Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithiumbatterien ist ein großes Anliegen, daher sollten alle Baugruppen über ein integriertes Batteriemanagementsystem (BMS) verfügen. Das BMS ist ein System, das Zellen überwacht, bewertet, ausgleicht und vor dem Betrieb außerhalb des "sicheren Betriebsbereichs" schützt. Das BMS ist eine wesentliche Sicherheitskomponente eines Lithiumbatteriesystems, das die Zellen in der Batterie überwacht und vor Überstrom, Unter- / Überspannung, Unter- / Übertemperatur und mehr schützt. Eine LiFePO4-Zelle wird dauerhaft beschädigt, wenn die Spannung der Zelle jemals auf weniger als 2,5 V abfällt. Sie wird auch dauerhaft beschädigt, wenn die Spannung der Zelle auf mehr als 4,2 V ansteigt. Das BMS überwacht jede Zelle und verhindert eine Beschädigung der Zellen bei Unter- / Überspannung.
Eine weitere wesentliche Aufgabe des BMS besteht darin, die Packung während des Ladevorgangs auszugleichen und sicherzustellen, dass alle Zellen ohne Überladung voll aufgeladen werden. Die Zellen eines LiFePO4-Akkus gleichen sich am Ende des Ladezyklus nicht automatisch aus. Es gibt leichte Variationen in der Impedanz durch die Zellen und somit ist keine Zelle 100% identisch. Daher werden einige Zellen beim Zyklus früher vollständig geladen oder entladen als andere. Die Varianz zwischen Zellen nimmt mit der Zeit signifikant zu, wenn die Zellen nicht ausgeglichen sind.
In Blei-Säure-Batterien fließt der Strom auch dann weiter, wenn eine oder mehrere der Zellen vollständig aufgeladen sind. Dies ist ein Ergebnis der Elektrolyse, die innerhalb der Batterie stattfindet, wobei sich das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Dieser Strom hilft, andere Zellen vollständig aufzuladen, wodurch die Ladung auf natürliche Weise auf alle Zellen ausgeglichen wird. Eine voll geladene Lithiumzelle hat jedoch einen sehr hohen Widerstand und es fließt sehr wenig Strom. Die nacheilenden Zellen werden daher nicht vollständig aufgeladen. Während des Ausgleichs übt das BMS eine kleine Last auf die voll geladenen Zellen aus, um ein Überladen zu verhindern und die anderen Zellen aufholen zu lassen.
Lithiumbatterien bieten viele Vorteile gegenüber anderen Batteriechemien. Sie sind eine sichere und zuverlässige Batterielösung, ohne Angst vor thermischem Durchgehen und / oder katastrophalem Zusammenbruch, was bei anderen Lithiumbatterietypen eine erhebliche Möglichkeit darstellt. Diese Batterien bieten eine extrem lange Lebensdauer. Einige Hersteller garantieren sogar Batterien für bis zu 10.000 Zyklen. Bei hohen Entlade- und Wiederaufladungsraten von mehr als C / 2 kontinuierlich und einem Wirkungsgrad von bis zu 98% ist es kein Wunder, dass diese Batterien in der Branche an Bedeutung gewinnen. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) ist eine perfekte Energiespeicherlösung.
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