Prinzip des Batterieladens und -entladens

Beim Laden einer Batterie wird ihre chemische Energie durch Anlegen eines externen elektrischen Stroms wieder aufgeladen. Dieser Vorgang ist notwendig, da beim Entladen (wenn die Batterie Strom liefert) die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Der mit der Batterie verbundene externe Stromkreis ist typischerweise ein Gerät oder eine Last, die die von der Batterie bereitgestellte elektrische Energie verbraucht.

Der Ladevorgang wird typischerweise durch Anlegen einer externen Spannung an die Batteriepole eingeleitet. Die Spannung zwingt einen Strom, durch die Batterie zu fließen, wodurch die chemischen Reaktionen in die umgekehrte Richtung gelenkt werden.

Beim Laden geht es in der Regel darum, die der Batterie zugeführte Spannung und den Strom zu regulieren, um ein sicheres und effizientes Laden zu gewährleisten. Beim Laden kommt es innerhalb der Batterie zu einer reversiblen chemischen Reaktion.

Der Ladevorgang ist typischerweise in drei Stufen unterteilt: Konstantstrom (Massenladung), Konstantspannung und Erhaltungsladung. Die Konstantstromstufe lädt die Batterie schnell auf, bis eine bestimmte Spannung erreicht ist. Die Konstantspannungsstufe hält diese Spannung aufrecht, bis der Strom auf ein niedriges Niveau abfällt, was anzeigt, dass die Batterie fast vollständig geladen ist. Durch die Erhaltungsladung wird die Batterie auf einer niedrigeren Spannung gehalten, um die Selbstentladung auszugleichen.

Sowohl die Lade- als auch die Entladeleistung können durch die Temperatur beeinflusst werden. Beim Entladen kehren sich die beim Laden abgelaufenen chemischen Reaktionen um. Die Ionen bewegen sich von einer Elektrode zur anderen und erzeugen dabei elektrischen Strom. Die Tiefe, bis zu der eine Batterie in jedem Zyklus entladen wird, kann sich auf ihre Lebensdauer auswirken. Flachere Entladungen führen im Allgemeinen zu einer längeren Batterielebensdauer.

Überladen einer Batterie kann zu Überhitzung und Schäden führen. Moderne Batterieladegeräte verfügen häufig über Schutzschaltungen, um ein Überladen zu verhindern. Auch eine Tiefentladung kann insbesondere bei bestimmten Batterietypen schädlich sein und die Gesamtlebensdauer verkürzen.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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Der Grundaufbau der Batterie

Das grundlegende Funktionsprinzip einer Batterie beinhaltet eine chemische Reaktion an den Elektroden, bei der Elektronen abgegeben oder aufgenommen werden, wodurch ein elektrischer Stromfluss durch den externen Stromkreis entsteht. Der Grundaufbau einer typischen Batterie umfasst mehrere Schlüsselkomponenten:

Kathode

Die Kathode ist das Material, in dem während der elektrochemischen Reaktion die Reduktion (Elektronengewinnung) stattfindet. Zu den üblichen Kathodenmaterialien gehören Metalloxide wie Mangandioxid oder lithiumkobaltoxid. An der Kathode finden Reduktionsreaktionen statt, bei denen Elektronen verbraucht werden. Die Elektronen kehren über den externen Stromkreis zur Kathode zurück und schließen so den Stromkreis. Der Gesamtvorgang ist während des Ladevorgangs reversibel, sodass die Batterie wiederverwendet werden kann.

Anode

Die Anode ist das Material, das während der elektrochemischen Reaktion oxidiert (Elektronen verliert). Zu den üblichen Anodenmaterialien gehören Metalle oder Materialien, die leicht Elektronen abgeben können.

Kollektor

Kollektoren sind leitfähige Materialien, die die Elektroden mit dem externen Stromkreis verbinden und so den Elektronenfluss zwischen Anode und Kathode ermöglichen. In einigen Batterien können diese Kollektoren auch als Stromabnehmer dienen.

Behälter/Koffer

Der Behälter oder das Gehäuse beherbergt alle Komponenten der Batterie und sorgt für strukturelle Unterstützung.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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Terminal

Bei den Anschlüssen handelt es sich um externe Anschlüsse, die es ermöglichen, die Batterie an einen externen Stromkreis anzuschließen und so den Fluss von elektrischem Strom zu ermöglichen. Die gesamten chemischen Reaktionen, die in der Batterie ablaufen, hängen von ihrem Typ ab.

Prinzip des Batterieladens

Beim Batterieladeprinzip handelt es sich um den Vorgang des Auffüllens elektrischer Energie innerhalb einer wiederaufladbaren Batterie. Die Grundprinzipien des Batterieladens unterscheiden sich geringfügig je nach Batterietyp. Hier ein allgemeiner Überblick:

Spannung angelegt

Für den Ladevorgang ist eine Spannung erforderlich, die höher ist als die aktuelle Spannung der Batterie. Diese externe Spannung zwingt den Strom dazu, in die entgegengesetzte Richtung zu fließen, wodurch die Batterie Energie aufnimmt.

Spannung und Strom

Beim Laden wird eine Spannung angelegt, die höher ist als die aktuelle Spannung der Batterie. Dieser Spannungsunterschied treibt den Strom in die Batterie. Die Geschwindigkeit, mit der der Strom in die Batterie fließt, hängt von der angelegten Spannung und dem Innenwiderstand der Batterie ab.

Ladestufen

Konstantstrom (CC): In der Anfangsphase versorgt das Ladegerät die Batterie mit einem konstanten Strom. Dadurch wird die Ladegeschwindigkeit maximiert.

Temperaturkontrolle

Die Temperatur beeinflusst die Leistung und Sicherheit der Batterie. Ladesysteme überwachen und steuern häufig die Temperatur, um eine Überhitzung zu verhindern. Einige Ladegeräte passen den Ladestrom temperaturabhängig an, um ein sicheres Laden zu gewährleisten.

Intelligentes Laden

Einige moderne Ladegeräte verfügen über intelligente Ladealgorithmen, die sich an den Zustand der Batterie anpassen und die Ladeparameter entsprechend anpassen. Intelligentes Laden trägt zur Optimierung der Akkulaufzeit und -leistung bei.

Rekombination von Gasen

Bei Blei-Säure-Batterien können beim Laden Gase entstehen. Um den Druckaufbau zu vermeiden, verfügen einige Batterien über Mechanismen, um diese Gase wieder mit dem Elektrolyten zu verbinden.

Blei-Säure-Batterien: Bei Blei-Säure-Batterien, die häufig in Automobilanwendungen eingesetzt werden, kommt es beim Entladen und Laden zur Umwandlung von Bleidioxid und Bleischwamm.

Funktionsprinzip der Batterie

Batterien basieren auf Redoxreaktionen (Reduktions-Oxidationsreaktionen). Vereinfacht ausgedrückt verliert ein Material Elektronen (Oxidation) und ein anderes Material gewinnt diese Elektronen hinzu (Reduktion).

Wenn eine Batterie verwendet wird, oxidiert die Anode und gibt Elektronen an den externen Stromkreis ab. An der Kathode findet die Reduktion statt, indem Elektronen wieder in die Batterie eindringen und sich mit Ionen aus dem Elektrolyten verbinden. Die chemischen Reaktionen an Anode und Kathode erzeugen die elektrische Energie, die zum Betrieb von Geräten verwendet wird.

Es ist wichtig, das richtige Ladegerät zu verwenden und die Herstellerrichtlinien zum Laden bestimmter Batterietypen zu befolgen. Zu den Funktionsprinzipien der Batterie gehören die folgenden:

Konstantstrom (CC)

In der Anfangsphase des Ladevorgangs wird der Batterie ein konstanter Strom zugeführt. Dadurch wird die Ladung schnell wieder aufgeladen und eine Überlastung des akkus verhindert.

Konstantspannung (CV)

Wenn die Batterie einen höheren Ladezustand erreicht, schaltet das Ladesystem auf einen Konstantspannungsmodus um. Die Spannung an den Batterieklemmen wird konstant gehalten, während der Strom abnimmt.

Chemische Veränderungen

Während des Ladevorgangs kommt es zu chemischen Veränderungen im Akku. In einer Blei-Säure-Batterie wandeln sich beispielsweise Bleisulfat an der negativen Platte und Bleidioxid an der positiven Platte wieder in Blei bzw. Bleisulfat um.

Entladung

Die Batterie produziert weiterhin Strom, solange die chemischen Reaktionen an Anode und Kathode ablaufen können. Sobald die Reaktanten aufgebraucht sind oder die chemischen Reaktionen ein Gleichgewicht erreichen, gilt die Batterie als entladen.