22 Jahre Batterieanpassung
May 06, 2022 Seitenansicht：667
Lithium-Ionen-Akkus werden schneller aufgeladen, halten länger und haben eine höhere Leistungsdichte für eine längere Akkulebensdauer in einem leichteren Paket.
Seit der Erfindung der ersten Batterie oder „Voltaiksäule“ im Jahr 1800 durch Alessandro Volta haben Batterien einen langen Weg zurückgelegt, um eine endlose Liste tragbarer elektronischer Geräte, die wir alle täglich verwenden, mit Strom zu versorgen. Die erste wiederaufladbare Batterie wurde 1859 von Gaston Planté erfunden und war als Blei-Säure-Batterie bekannt. 1980 brachte Sony den ersten Lithium-Ionen-Akku auf den Markt, und diese neue Technologie hat sich in fast allen tragbaren elektronischen Geräten, einschließlich Smartphones, Tablets, Laptops und Wearables, durchgesetzt. Eine typische Lithium-Ionen-Batterie kann etwa 3,6 Volt pro Zelle erzeugen. Wenn Sie jetzt eine 12-Volt-Blei-Säure-Batterie verwenden, benötigen Sie drei Lithium-Ionen-Batterien, um die gleiche Ausgangsspannung zu erzeugen. Lithium-Ionen-Akkus werden schneller aufgeladen, halten länger und haben eine höhere Leistungsdichte für eine längere Akkulaufzeit in einem leichteren Paket.
Das Gewicht eines Lithium-Ionen-Akkus hängt von der Größe, der Chemie und der Energiemenge ab, die er enthält. Eine typische Zelle wiegt etwa 30–40 Gramm. Zellen werden zusammengepackt, um einen Batteriesatz für ein Gerät herzustellen. Batterien für Computer, Mobiltelefone und andere tragbare Elektronik enthalten oft mehrere Zellen in Reihe (positiv zu negativ) oder parallel (positiv zu positiv).
Ein typischer Laptop-Akku enthält sechs Zellen mit einer Nennspannung von jeweils 3,6 V. Beispielsweise hat ein Dell Inspiron 9100-Laptop einen 11,1-V-Akku mit einer Kapazität von etwa 4400 mAh (4,4 Ah). Dies entspricht 6 x 3,6 V x 4,4 Ah = 100 Wh Energie oder 1110 g Masse (2,5 lbs).
Ein 400-Wh-Akku würde etwa 4 kg (8 lbs) wiegen.
Wie bereits erwähnt, ist das Gewicht eines Lithium-Ionen-Akkupacks keine feste Größe. Sie variiert je nach Speicherkapazität und Spannung der Zellen im Pack. Der vielversprechendste Weg, die Energiedichte von Batterien zu erhöhen, besteht darin, ihre Spannung zu erhöhen, aber dies hat seine eigenen Nachteile. Eine kleinere, leichtere Batterie kann erstellt werden, indem mehr Zellen hinzugefügt werden, um die Spannung zu erhöhen. Das einzige Problem ist, dass mehr Zellen mehr Gewicht bedeuten.
Als Beispiel verwenden wir eine herkömmliche 18650-Lithium-Ionen-Zelle, die in vielen Laptops und Elektrofahrzeugen zu finden ist. Diese Zelle enthält etwa 2 Amperestunden Ladung bei einer typischen Spannung von 3,6 V. Ein Elektroauto, das 100 kWh Energie benötigt, würde 14.285 Zellen benötigen, um seine Ladung allein in diesen Zellen bei einem Wirkungsgrad von 95 Prozent zu speichern. Bei einem Gewicht von jeweils rund 50 Gramm ergibt dies ein Gesamtgewicht von 714 Kilogramm.
Gewichtsrechner für Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Batterien können nur 3 g/Wh oder bis zu 8 g/Wh wiegen. Ein typischer Laptop-Akku wiegt zwischen 80 und 120 Wh/kg, was bedeutet, dass er zwischen 240 und 960 g (oder 0,5 bis 2 Pfund) wiegt. Ein typischer Smartphone-Akku wiegt etwa 20-40 g.
Dieser Gewichtsrechner für Lithium-Ionen-Akkus ist ein extrem leichtes und benutzerfreundliches Tool, mit dem Sie das ungefähre Gewicht eines Lithium-Ionen-Akkus basierend auf seiner spezifischen Energie, Dichte und seinem Volumen ermitteln können. In diesem Artikel erklären wir, wie ein Taschenrechner funktioniert. Dieser Rechner gibt Ihnen das Batteriegewicht Ihres Lithium-Ionen-Akkupacks an. Es kann Ihnen helfen festzustellen, ob Ihr Akku zu schwer oder nicht schwer genug ist. Geben Sie für jede Zelle die mAh und die Volt ein. Wenn Sie die mAh und Volt Ihres Akkus nicht kennen, erkundigen Sie sich bitte bei Ihrem Hersteller nach den Spezifikationen.
Als Ingenieure werden wir oft gebeten, das Gewicht eines Batteriepacks schnell abzuschätzen. Während es einfach ist, ein ungefähres Gewicht für einfache Chemien wie Nickelmetallhydrid (NiMH) und Bleisäure bereitzustellen, erschwert die große Anzahl möglicher Formulierungen in der Lithiumionenchemie dies.
Der erste Schritt bei der Berechnung des Gewichts eines Lithium-Ionen-Akkupacks besteht darin, seine Kapazität in Amperestunden (Ah) zu bestimmen. Dies wird normalerweise durch die Produktspezifikation für handelsübliche Batterien oder durch Teilen der Gesamtenergie (in Wattstunden) durch die Nennspannung bereitgestellt, wenn kundenspezifische Pakete entwickelt werden.
Als nächstes müssen wir uns die spezifische Energie unserer Batteriechemie ansehen. Die folgende Tabelle enthält ungefähre Werte für gängige Formulierungen:
Lithium-Ionen-ChemieSpezifische Energie (Wh/kg)
Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)140 - 175
Lithium-Mangan-Oxid (LMO)115 - 145
lithiumeisenphosphat (LFP)95 - 120
lithium-nickel-mangan-kobaltoxid (NMC)115 - 150
Wenn Sie eine handelsübliche Batterie verwenden, hat Ihr Hersteller möglicherweise spezifische Energieinformationen veröffentlicht. Andernfalls können wir anhand unserer Chemie einen Wert schätzen. Beispielsweise hätte eine Lithium-Manganoxid-Batterie mit einer Nennspannung von 3,6 V und 120 Wh/kg spezifischer Energie eine Kapazität von 33 Ah und ein Gewicht von 1 kg.
Gewichtsdichte der Lithium-Ionen-Batterie
Die Energiedichte ist ein wichtiger Parameter für Batterien. Dies kann in Form von spezifischer Energie (Energie pro Masseneinheit) oder Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit) ausgedrückt werden, aber bei Batterien sind beide eng miteinander verbunden.
Es ist nicht sofort ersichtlich, warum die Energiedichte wichtig ist, aber bedenken Sie, dass ein mit Benzin betriebenes Fahrzeug seinen Kraftstoff mit sich herumtragen muss; Wenn es mehr Kraftstoff enthält, kann es weiter gehen. Indem Sie also die Energiedichte des Kraftstoffs erhöhen, können Sie ein Fahrzeug leichter und effizienter machen. Gleiches gilt für ein Elektrofahrzeug: Da es seine Batterie mit sich herumträgt, bedeutet eine Batterie mit höherer Dichte ein leichteres Fahrzeug.
Wie wir bereits gesehen haben, haben Lithium-Ionen-Batterien eine viel höhere Leistungsdichte als ihre Vorgänger. Aber sie haben auch viel höhere spezifische Energien – typischerweise 150 Wh/kg im Vergleich zu 50 Wh/kg für Blei-Säure-Batterien und 70–90 Wh/kg für Nickel-Metallhydrid-Typen.
Tatsächlich sind die spezifischen Energien von Lithium-Ionen-Batterien mit denen von Benzin vergleichbar. Warum also haben Elektrofahrzeuge keine mit Benzinfahrzeugen vergleichbare Reichweite? Das würde doch bedeuten, dass Benzin weniger als die Hälfte der spezifischen Energie von Lithiumionen hat? Nein – es stellt sich heraus, dass moderne Benzinmotoren einen Wirkungsgrad von etwa 40 % haben, sodass eine Zelle mit 150 Wh/kg einem Elektrofahrzeug mit 60 % Antriebsstrangeffizienz eine mit einem Benzinfahrzeug vergleichbare Reichweite verleihen könnte.
Die spezifische Energie von Benzin beträgt etwa 12 kWh/kg, was einer volumetrischen Energiedichte von etwa 32 kWh/l entspricht. Lithium-Ionen-Batterien haben eine Energiedichte von rund 160 Wh/kg, das sind 0,16 kWh/kg.
Dieses Verhältnis von 12:0,16 entspricht einer äquivalenten volumetrischen Dichte von 76,8 kWh/l. Das Tesla Model S hat einen Akkupack mit einer Kapazität von 85 kWh und wiegt 540 kg; dies ergibt eine volumetrische Energiedichte von 0,39 kWh/l – etwa 5 % des Äquivalents von Benzin.
Warum also haben Elektrofahrzeuge deutlich geringere Reichweiten als ihre Benziner? Es gibt keinen grundsätzlichen Grund, warum sie auf diese Weise begrenzt werden sollten - das Problem ist, dass praktische Batteriepakete immer noch viel zu schwer und unhandlich sind, um es Elektrofahrzeugen zu ermöglichen, mit Benzinern in der Reichweite zu konkurrieren.
Dies ist nicht nur eine Frage der Technologie: Selbst wenn wir Batterien mit der gleichen Energiedichte wie Benzin hätten (und das haben wir nicht), müssten wir immer noch Wege finden, das Gewicht und das Volumen zu reduzieren, die von anderen Komponenten in Anspruch genommen werden das Auto - alles von Reifen über Achsen bis hin zu Motorlagern muss viel leichter sein, wenn wir Elektrofahrzeuge wollen, die ihre Benzinäquivalente in Bezug auf die Reichweite herausfordern können.
Aufschlüsselung des Lithium-Ionen-Akkugewichts
Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus mehreren verschiedenen Komponenten: Kathode, Anode, Separator, Elektrolyt und Stromabnehmer. Die Chemie der Kathode und Anode bestimmt den Typ der Lithium-Ionen-Zelle (z. B. LiCoO2, LiFePO4 usw.) und damit die Kapazität, die Leistungsfähigkeit, die Sicherheitseigenschaften und die Kosten der Zelle. Die typische Zellenkonfiguration in einem Fahrzeug ist prismatisch oder zylindrisch mit einer Kapazität zwischen 20-85 Ah.
Das Kathodenmaterial macht etwa 30 % der Masse einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus. Die Anode macht ebenfalls etwa 30 % der Masse aus. Der Separator macht 15 % aus, der Stromabnehmer knapp 10 %. Elektrolyt (inklusive Additive) macht etwa 2 Masse-% aus, alles andere etwa 13 %.
Die Gewichtsverteilung eines Lithium-Ionen-Akkupacks ist wie folgt (Daten von Kokam):
Handy - 48%
Verpackung - 25 %
Sonstiges (Kabel, Stecker, Schütze usw.) - 9 %
Kühlsystem - 5 %
Batteriemanagementsystem - 5 %
Hardware/Unterstützungsstruktur - 4 %
Sicherheitssysteme - 2 %
Sonstiges (Lüfter, elektrische Komponenten) - 2%
Fazit
Lithium-Ionen-Batterien werden oft als der beste Akkutyp für tragbare Elektronik angesehen. Sie haben eine der besten Energiedichten, keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung. Aus diesen Gründen werden Lithium-Ionen-Batterien für eine Vielzahl von tragbaren Elektronikgeräten verwendet.
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