Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher
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München
Utz
2013
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INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT 11
EINLEITUNG 18
SCHWUNGRAD 19
SOLARZELLE 22
ELEKTROSTATISCHE ENERGIESPEICHER 23
BRENNSTOFFZELLE 25
ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHER 26
GRANDPRINZIPIEN EINES AKKUMULATORS 28
KAPITEL I 31
GLOSSAR DER BEGRIFFLICHKEITEN, GROESSEN UND MESSVERFAHREN AUS
DER BATTERIETECHNIK 31
LADEN VON AKKUMULATOREN 39
LADEN VON BLEI-SAEURE-AKKUMULATOREN 40
INTERKALATIONSELEKTRODEN (EXKURS) 57
DENDRITEN 59
LI-PLATING 62
MEMORY-EFFEKT 64
KAPITEL 2: WAESSRIGE SYSTEME 68
2.1 DER BLEIAKKUMULATOR 68
2.1.1 ENTSTEHUNGSGESCHICHTE
DES BLEIAKKUMULATORS 68
2.1.2 FUNKTIONSPRINZIP UND ALLGEMEINER
AUFBAU DES BLEIAKKUMULATORS. 70
CHEMISCHE REAKTION 70
2.1.3 AUFBAU VON BLEIAKKUMULATOREN 73
GESCHLOSSENE BAUARTEN (FRUEHER: OFFENE
BAUARTEN) 73
GROSSOBERFLAECHENPLATTE 74
GITTERPLATTE 76
ROEHRCHENPLATTE/PANZERPLATTE 77
SEPARATOREN 79
OFFENE BAUART 82
5
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INHALTSVERZEICHNIS
VERSCHLOSSENE BAUARTEN (WARTUNGSFREIE SYSTEME) 82
2.1.4 BLEIAKKUMULATOR IN DER
ANWENDUNG 86
2.1.4 VERSCHATTUNG VON
BLEI-SAEURE-AKKUMULATOREN 91
A) GESCHLOSSENE BLEI-SAEURE-AKKUMULATOREN 91
B) BLEI-GEL-AKKUMULATOREN 92
2.1.5 BATTERIEHEIZUNG 93
2.1.6 LADEFAKTORVERBESSERUNGEN 95
2.1.7 LEBENSDAUER 101
KALENDARISCHE LEBENSDAUER 102
ZYKLISCHE LEBENSDAUER 102
2.1.8 VOR- UND NACHTEILE DES
BLEI-SAEURE-AKKUMULATORS 103
VORTEILE DES BLEI-SAEURE-AKKUMULATORS: 103
NACHTEILE DES BLEI-SAEURE-AKKUMULATORS: 103
2.1.9 POTENZIALE UND GRENZEN
DES EINSATZES
VON BLEI-SAEURE-
AKKUMULATOREN IN HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGEN 104
2.1.10 REPARATUR VON
BLEI-SAEURE-BATTERIEN 110
BATTERIEPULSER 110
BATTERIEAUSBESSERUNGSMITTEL 114
EIGENREPARATUR 115
2.1.11 ZUSAMMENFASSUNG UND
AUSBLICK 117
2.2 DER NICKEL-CADMIUM- AKKUMULATOR 119
2.2.1 ELEKTROCHEMISCHE REAKTION 120
2.2.2 PRINZIPIELLER AUFBAU 122
ERWAERMUNG VON AKKUMULATOREN 123
ELEKTRODENAUFBAU IN NICKEL-CADMIUM-ZELLEN 125
OFFENE (GESCHLOSSENE) NICKEL-CADMIUM-AKKUMULATOREN 132
GASDICHTE (VERSCHLOSSENE) NICKEL-CADMIUM-AKKUMULATOREN 133
2.2.3 LADEVERFAHREN 136
2.2.4 REIHENSCHALTUNG 141
2.2.5 POTENTIELLER EINSATZ
VON NICKEL-CADMIUM-AKKUMULATOREN IN
HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGEN 142
2.2.6 ZUSAMMENFASSUNG 144
2.3 DER NICKEL-EISEN-AKKUMULATOR 147
2.3.1 ELEKTROCHEMISCHE REAKTION 149
2.3.2 NIFE-AKKUMULATOREN IN HYBRID UND ELEKTROFAHRZEUGEN? 150
6
INHALTSVERZEICHNIS
2.3.3 ZUSAMMENFASSUNG 152
2.4 DER NICKEL-METALLHYDRID-AKKUMULATOR 153
2.4.1 ELEKTROCHEMISCHE REAKTION 154
2.4.2 EINSATZ
VON NICKEL-METALLHYDRID-AKKUMULATOREN
IN HYBRIDFAHRZEUGEN 159
2.4.3 ZUSAMMENFASSIMG
DER NIMH-TECHNOLOGIE 162
2.5 DER NICKEL-ZINK-AKKUMULATOR 164
2.5.1 REAKTIONSGLEICHUNGEN 165
2.5.2 AUFBAU DES
NIZN-AKKUMULATORS 167
2.5.3 LEBENSDAUERASPEKTE 167
2.5.4 ANWENDUNGSGEBIETE 169
2.5.5 POTENTIALE UND
GRENZEN DES EINSATZES VON NIZN-SYSTEMEN IN
HYBRIDFAHRZEUGEN 170
2.5.6 ZUSAMMENFASSUNG 172
2.6 DIE
ZINK-LUFT-ZELLE 173
EINLEITUNG 173
2.6.1 PRIMAERE ZINK-LUFT-ZELLEN 174
2.6.2 ENTLADUNG 176
2.6.3 WIEDERAUFLADBARE ZINK-LUFT-ZELLEN 182
LADUNG MECHANISCH 182
LADUNG ELEKTRISCH 185
2.6.4 HERAUSFORDERUNGEN, RECYCLING, UMWELTASPEKTE
UND AUSBLICK 189
KAPITEL 3: ORGANISCHE SYSTEME 192
3.1 LITHIUM-IONEN-AKKUMULATOREN 192
3.1.1 HISTORIE 192
KOMMERZIALISIERUNG 194
3.1.2 ZELLAUFBAU 195
3.1.3 ZELLTECHNOLOGIE 197
3.1.4 INTERKALATIONSELEKTRODEN UND DECKSCHICHTEN ALS
ENTSCHEIDENDER DURCHBRUCH FUER DIE WIEDERAUFLADBARE LI-IONEN-ZELLE
. 204
3.1.5 ADDITIVE 214
3.1.6 SICHERHEIT 216
3.1.7 AUSLEGUNGSKRITERIEN 220
3.1.8 BAUARTEN 224
7
INHALTSVERZEICHNIS
3.1.9 AUSBLICK LITHIUM-IONEN-TECHNOLOGIE:
KONSOLIDIERUNG, NEUE
MATERIALIEN, POST-LI-IONEN-TECHNOLOGIEN 231
3.2 LITHIUM-METALL (ORGANISCH) 236
3.2.1 LITHIUM-METALL-PRIMAERZELLEN (NICHT WIEDERAUFLADBAR) 236
3.2.2 LITHIUM-METALL-KNOPFZELLEN 238
3.2.3 LITHIUM-METALL-SEKUNDAERZELLEN (WIEDERAUFLADBAR) 239
3.3 LITHIUM-POLYMER-AKKUMULATOREN 247
3.3.1 ECHTE LI-POLYMER-AKKUMULATOREN 248
3.3.2 UNECHTE LITHIUM-POLYMER-AKKUMULATOREN 254
3.3.3 HALBECHTE LITHIUM-POLYMER-AKKUMULATOREN 260
3.3.4 EINSATZGEBIETE 261
3.3.5 AUSBLICK 264
3.4 LITHIUM-SCHWEFEL 265
3.4.1 EINLEITUNG 265
3.4.2 FUNKTIONSWEISE 267
DAS OBERE SPANNUNGSPLATEAU
(SCHNELLE KINETIK) 269
DAS UNTERE SPANNUNGSPLATEAU
(LANGSAME KINETIK) 270
3.4.3 PRINZIPIELLER AUFBAU 272
3.4.4 ALTERNATIVE AUSLEGUNGEN 273
3.5 LITHIUM-LUFT 279
3.5.1 EINLEITUNG 279
3.5.2 AUFBAU UND ELEKTROCHEMISCHE REAKTION IN EINEM LITHIUM-
LUFT-SYSTEM 283
3.5.3 AKTUELLER ENTWICKLUNGSSTAND 286
3.5.4 SICHERHEIT 288
3.5.5 MOTIVATION DER
WEITERENTWICKLUNG VON LITHIUM-LUFT-SYSTEMEN . 289
3.5.6 ENTWICKLUNGSSCHWERPUNKTE,
AUSBLICK 291
3.6 LITHIUM-FLUOR 293
KAPITEL 4: ANORGANISCHE SYSTEME (HOCHTEMPERATUR,
DUENNE SCHICHTEN, SPEZIELLE ANORGANISCHE
AUSFUEHRUNGEN
) 297
4.1 DER NATRIUM-SCHWEFEL-AKKUMULATOR 297
4.1.1 FUNKTIONSWEISE 297
4.1.2 ELEKTROCHEMISCHE REAKTION 300
8
INHALTSVERZEICHNIS
4.1.3 ZELLENAUFBAU 305 ^
4.1.4 BEISPIEL FUER
EINEN BATTERIEAUFBAU UND EINE KOMMERZIELLE
UMSETZUNG 307
4.1.5 EINSATZ
VON NAS-
AKKUMULATOREN IN ELEKTRO- UND
HYBRIDFAHRZEUGEN 309
4.1.6 WEITERE ANWENDUNGEN 311
4.2 DER NATRIUM-NICKELCHLORID-AKKUMULATOR (ZEBRA-BATTERIE) .313
4.2.1 GESCHICHTE 313
4.2.1 FUNKTIONSPRINZIP UND AUFBAU 314
4.2.3 ELEKTROCHEMISCHE REAKTION 317
4.2.4 EINSATZ VON NANICL
2
-AKKUMULATOREN
IN ELEKTROFAHRZEUGEN 321
4.2.5 VOR- UND NACHTEILE DER
ZEBRA-BATTERIE 325
4.3 FESTKOERPER-DUENNSCHICHT-AKKUMULATOREN 327
4.3.1 MOTIVATION 327
4.3.2 HERAUSFORDERUNGEN UND ANSAETZE
VON DUENNSCHICHT-
FESTKOERPERBATTERIEN 333
4.3.3 REALISIERUNGEN 335
4.3.4 VISION 337
4.4 LITHIUM ANORGANISCH 338
4.4.1 MOTIVATION 338
4.4.2 FUNKTIONSWEISE DES
ANORGANISCHEN SYSTEMS 340
4.4.3 TECHNISCHE
HERAUSFORDERUNGEN 343
4.4.4 TECHNISCHER STAND 344
KAPITEL 5: UMWAELZUNG,
TANK 347
5.1 HYBRID-REDOX-FLOW-ZELLEN (RDZ), DER ZINK-BROM-
AKKUMULATOR 347
5.1.1 EINLEITUNG 347
5.1.2 ZINK-BROM-BATTERIEN 350
CHEMISCHE REAKTION 350
AUFBAU 350
ANWENDUNGSGEBIETE 352
5.2 REINE REDOX-FLOW-ZELLEN (RDZ), DIE VANADIUM-REDOX-
FLOW-BATTERIE (VRB) 355
CHEMISCHE REAKTION DER VANADIUM
RFB 356
9
INHALTSVERZEICHNIS
AUFBAU
356
ANWENDUNG
359
5.3 DISKUSSION DES EINSATZES VON REDOX-FLOW-BATTERIEN IN
HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGEN 362
KAPITEL 6: HERSTELLUNG VON AKKUMULATOREN AM
BEISPIEL ZWEIER AUSGEWAEHLTER SYSTEME 365
6.1 HERSTELLUNG ODER BEREITSTELLUNG DER TRAEGER DER AKTIVEN
MASSEN (ELEKTRODEN) 366
6.2 HERSTELLUNG DER AKTIVEN MASSEN 370
6.2.1 PASTENHERSTELLUNG
/MISCHEN 371
6.3 EINBRINGEN DER AKTIVEN MASSEN IN DIE ELEKTRODEN 376
6.3.1 FUELLEN DER
ROEHRCHEN BEI PANZER-/ROEHRCHENELEKTRODEN 376
6.3.2 PASTIEREN DER
GITTER (EINSTREICHEN DER MASSE) 378
6.4 FORMATION DER ELEKTRODEN 382
6.4.1 TROGFORMATION 383
6.5 MONTAGE DER TRAEGER DER AKTIVEN MASSE IN DIE GEHAEUSE MIT
DAZUGEHOERENDEN ERGAENZUNGSKOMPONENTEN 387
6.6 INBETRIEBSETZUNG DER ZELLEN 393
FORMATION VON ZELLEN- ODER BLOCKBATTERIEN
DIREKT IN GEFAESSEN
395
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 399
LITERATURVERZEICHNIS 407
STICHWORTVERZEICHNIS 410
DANKSAGUNG 419
UEBER DIE AUTOREN 420
10 |
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Beschreibung
THWS Schweinfurt Zentralbibliothek Lesesaal
Signatur: |
2000 ZN 8730 B619 |
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Exemplar 1 | ausleihbar Checked out – Rückgabe bis: 06.10.2025 Vormerken |