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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Akkumulatorzelle zum Speichern einer elektrischen Energie in einem Lithium-Akkumulator, eine Lithium-Akkumulatorzelle mit einer ersten und zweiten Elektrode zur Aufnahme und Abgabe einer Spannung, ein Akkumulatorsystem zur Abgabe einer elektrischen Spannung an einen Verbraucher über einen Pluspol und einen Minuspol und ein Energieversorgungsnetz zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie von einem Generator, das ein Akkumulatorsystem aufweist.
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue Akkumulatorsysteme zum Einsatz kommen werden. Lithium-Akkumulatoren könnten dafür in Frage kommen. Sie erzeugen eine Quellenspannung durch Verschiebung von Lithium-Ionen.
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Lithium-Akkumulatoren weisen jedoch in Standardausführung eine große Differenz zwischen ihrer maximalen Ruhespannung, also ihrer Ruhespannung im voll geladenen Zustand und ihrer minimalen Ruhespannung, also ihrer Ruhespannung im voll entladenen Zustand auf. Dies macht derartige Lithium-Akkumulatoren eher ungeeignet zur Anwendung mit Generatoren und Verbrauchern, die eine vergleichsweise konstante Ruhespannung über den Ladezustand des Akkumulators voraussetzen, so dass hier zusätzliche Mittel zur Spannungsanpassung zwischen Lithium-Akkumulator und Generator oder Verbraucher notwendig sind.
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Herkömmlich kommen daher in derartigen Anwendungen Blei-Säure-Akkumulatoren zum Einsatz, deren Spannungsdifferenz zwischen maximaler und minimaler Ruhespannung geringer ist. Der Blei-Säure-Akkumulator weist in vollgeladenem Zustand (State of Charge SOC = 100%) üblicherweise eine Spannung von 12,8 V auf. Bei entladenem Akkumulator (State of Charge SOC = 0%) weist der Akkumulator unbelastet eine Klemmenspannung von typischerweise 10,8 V auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Akkumulatorsystem für den Einsatz des heutigen Blei-Säure-Akkumulators zur Verfügung zu stellen. Das neue Akkumulatorsystem soll die heutigen Blei-Säure-Akkumulatoren ersetzen können, ohne dass dabei zusätzlicher Entwicklungsaufwand für die Anpassung der Verbraucher oder des Generators erforderlich wird.
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Die Erfindung gibt daher eine Elektrode für eine Lithium-Akkumulatorzelle zum Speichern einer elektrischen Energie in einem Lithium-Akkumulator an, der eine bestimmte Anzahl von in Reihe geschalteten Lithium-Akkumulatorzellen aufweist und zur Abgabe oder Aufnahme einer Spannung innerhalb einer unteren und oberen Spannungsgrenze in einem Energieversorgungsnetz vorgesehen ist. Die Lithium-Akkumulatorzelle ist über die Elektrode mit einer Ausgangselektrode des Lithium-Akkumulators oder einer Elektrode einer weiteren Akkumulatorzelle verbindbar. Die Elektrode weist ein Material auf, das einen Spannungsbereich zwischen der einer minimalen Ruhespannung und einer maximalen Ruhespannung des Lithium-Akkumulators kleiner als 30%, vorzugsweise 20%, weiter vorzugsweise 10%, der oberen Spannungsgrenze des Energieversorgungsnetzes festlegt.
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Da durch das Material der Elektrode die Ladezustand-Ruhespannungskennlinie einer Lithium-Akkumulatorzelle verändert werden kann, können Spannungsgrenzen, die ursprünglich ohne technischen Aufwand und Kapazitätseinbußen nur mit einem Blei-Säure-Akkumulator eingehalten werden konnten, nun auch mit einem Lithium-Akkumulator eingehalten oder sogar noch unterschritten werden, so dass ein Blei-Säure-Akkumulator durch einen Lithium-Akkumulator auch dann ersetzt werden kann, wenn eine vergleichsweise konstante Ruhespannung über den Ladezustand des Akkumulators notwendig ist. So kann in diesen Anwendungsfällen zur Abgabe und Speicherung der gleichen elektrischen Energie nicht nur ein Akkumulator mit weniger Volumen und weniger Gewicht, sondern auch mit einer längeren Lebensdauer hinsichtlich seiner kalendarischen Lebensdauer und seines Ladungsdurchsatzes eingesetzt werden.
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Grundgedanke der Erfindung ist es demzufolge, durch das Material einer Elektrode in einer Lithium-Akkumulatorzelle die Ladezustand-Ruhespannungskennlinie einer Lithium-Akkumulatorzelle abzuflachen. Ein Lithium-Akkumulator mit einer derartigen Lithium-Akkumulatorzelle kann dadurch die Anforderungen an einen heutigen Blei-Säure-Akkumulator erfüllen und diesen ersetzen, ohne dass dabei zusätzlicher Entwicklungsaufwand für die Anpassung an einen Verbraucher oder an einen Generator erforderlich wäre. Der Kern der Erfindung liegt daher in der Anpassung der minimalen und maximalen Ruhespannung eines Lithium-Akkumulators durch eine geeignete Materialwahl für wenigstens eine Elektrode einer seiner Lithium-Akkumulatorzellen. Erfindungsgemäß wird das Material für eine Elektrode für eine Lithium-Akkumulatorzelle zum Speichern einer elektrischen Energie in einem Lithium-Akkumulator derart ausgewählt, dass der Lithium-Akkumulator zur Abgabe oder Aufnahme einer Versorgungsspannung innerhalb einer unteren und oberen Spannungsgrenze in einem Energieversorgungsnetz vorgesehen ist, die eine maximale Ruhespannung und eine minimale Ruhespannung des Lithium-Akkumulators zwischen die obere und untere Spannungsgrenze festlegt. Dabei ist die Lithium-Akkumulatorzelle ist über die Elektrode mit einer Ausgangselektrode des Lithium-Akkumulators oder einer Elektrode einer weiteren Akkumulatorzelle verbindbar.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das Aktivmaterial für die Kathode der Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle kann Lithium-Eisenphosphat sein, da hiermit die Spannungsgrenzen eingehalten werden.
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Die minimale Ruhespannung des Lithium-Akkumulators kann größer gleich der minimalen Ruhespannung eines Blei-Säure-Akkumulators zur Speicherung von elektrischer Energie in einem 14 V-Bordnetz eines Fahrzeugs, und die maximale Ruhespannung des Lithium-Akkumulators kann kleiner gleich der maximalen Ruhespannung des Blei-Säure-Akkumulators sein. Das Material der erfindungsgemäßen Elektrode ist so ausgelegt, dass für wenigstens eine Lithium-Akkumulatorzelle im Lithium-Akkumulator der Spannungsbereich zwischen die minimale und maximale Ruhespannung eines Blei-Säure-Akkumulators zur Speicherung von elektrischer Energie in einem 14 V-Bordnetz eines Fahrzeuges fällt. Mit einer derartig dimensionierten Elektrode können die Eigenschaften eines Lithium-Akkumulators über eine die erfindungsgemäße Elektrode aufweisende Lithium-Akkumulatorzelle hinsichtlich der Ruhespannungsänderung des Lithium-Akkumulators über seinen Ladezustand an die Eigenschaften des Blei-Säure-Akkumulators angepasst werden.
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Dabei kann auch festgelegt werden, dass der Abstand des Spannungsbereichs zur minimalen Ruhespannung des Blei-Säure-Akkumulators größer ist, als der Abstand des Spannungsbereiches zur maximalen Ruhespannung des Blei-Säure-Akkumulators. Dies erlaubt es, nicht nur die Eigenschaften des Lithium-Akkumulators mit der erfindungsgemäßen Elektrode im Vergleich zum Blei-Säure-Akkumulator weiter zu verbessern, sondern auch, den Lithium-Akkumulator mit einer höheren Spannungslage als den Blei-Säure-Akkumulator zu betreiben.
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In einer besonderen Ausführungsform des Lithium-Akkumulators kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Lithium-Akkumulatorzellen drei oder vier sein.
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Die maximale Ruhespannung der Lithium-Akkumulatorzelle kann vorzugsweise auf 3,2 V und die minimale Ruhespannung auf 3,0 V eingestellt werden. So kann eine Nennspannung von ca. 3,1 V erreicht werden, so dass aus einer einfachen Serienschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Lithium-Akkumulatorzellen ein Akkumulator für gängige 12 V-Anwendungen bereitgestellt werden kann.
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Die Erfindung gibt auch eine Lithium-Akkumulatorzelle mit einer ersten und zweiten Elektrode zur Aufnahme und Abgabe einer Spannung an, wobei die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eine erfindungsgemäße Elektrode ist.
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Die Erfindung gibt auch einen Lithium-Akkumulator zur Abgabe einer elektrischen Spannung an einen Verbraucher über einen Pluspol und einen Minuspol mit wenigstens zwei die erfindungsgemäße Elektrode aufweisenden und in Reihe geschalteten Lithium-Akkumulatorzellen an.
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Die Erfindung gibt darüber hinaus auch ein Energieversorgungsnetz zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie von einem Generator an. Das Energieversorgungsnetz besitzt einen erfindungsgemäßen Akkumulator, der zur Aufnahme der elektrischen Energie von dem Generator und zur Abgabe der elektrischen Energie an den Verbraucher vorgesehen ist.
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Das Energieversorgungsnetz ist vorzugsweise ein 14 V-Bordnetz insbesondere für ein Fahrzeug.
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Zeichnungen
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Nachfolgend werden nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Energieversorgungsnetzes mit einem Akkumulatorsystem;
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2 die Ruhespannungskennlinie über den Ladezustand einer herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzelle;
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3 die Ruhespannungskennlinien über den Ladezustand eines Akkumulators mit drei und vier herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzellen;
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4 die Ruhespannungskennlinien über den Ladezustand einer erfindungsgemäßen Lithium-Akkumulatorzelle;
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5 die Ruhespannungskennlinien über den Ladezustand eines Akkumulators mit vier erfindungsgemäßen Lithium-Akkumulatorzellen;
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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In 1 ist das Blockschaltbild eines Energieversorgungsnetzes mit einem Akkumulatorsystem gezeigt. In der vorliegenden Ausführung ist das Energieversorgungsnetz ein heutiges 14 V-Bordnetzes 2 in einem Kraftfahrzeug und zur Versorgung eines Verbrauchers 8 mit elektrischer Energie von einem Generator 6 über einen Akkumulator 4 vorgesehen. Dazu lädt der Generator 6 den Akkumulator 4 mit elektrischer Energie auf, der diese dann an den Verbraucher 8 wieder abgibt. Ferner kann in dem 14 V-Bordnetz 2 auch ein Starter 10 für das Fahrzeug vorgesehen sein, der mit elektrischer Energie von dem Generator 6 und/oder dem Akkumulator 4 versorgt wird.
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Bei den meisten Fahrzeugherstellern liegt die Bordnetzspannung in einem herkömmlichen 14 V-Bordnetzes 2 im Fahrbetrieb – je nach Temperatur und Ladezustand eines herkömmlichen Akkumulator 4 – in einem Bereich zwischen einer unteren Spannungsgrenze 24 von etwa 10,8 V und einer oberen Spannungsgrenze 22 von etwa 15 V.
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Herkömmlich kamen für den Akkumutator 4 zur Bereitstellung dieser Bordnetzspannungen 22, 24 Blei-Säure-Akkumulatoren zum Einsatz. Ihre maximale Ruhespannung, also ihre Ruhespannung im voll geladenen Zustand, was einem Ladezustand von 100% entspricht, ist typischerweise 12,8 V. Ihre minimale Ruhespannung, also ihre Ruhespannung in einem vollständig entladenen Zustand, in dem die Blei-Säure-Akkumulatoren unbelastet sind, ist typischerweise 10,8 V. Damit konnten herkömmlich die obere und untere Spannungsgrenze 11, 13 für das 14 V-Bordnetz 2 eingehalten werden.
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Die Herausforderung die sich beim Ersatz eines Blei-Säure Akkumulators durch einen Lithium-Akkumulator im 14 V-Bordnetz 2 stellen, sind diese Spannungsgrenzen 22, 24 für das 14 V-Bordnetz 2 über den gesamten Ladezustandsbereich des Lithium-Akkumulators einzuhalten. Herkömmliche Lithium-Akkumulatoren für den Einsatz in Systemen aus dem Consumer-Bereich erfüllen diese Anforderungen nicht.
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In 2 ist eine Ladezustands-Ruhespannungskennlinie 12 einer herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzelle für einen herkömmlichen Lithium-Akkumulator gezeigt. Die Kathode eines herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzelle besteht aus Lithium-Nickel-Kobald-Aluminiumoxid. Die minimale Ruhespannung 14 der herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzelle beträgt circa 2,7 V, während ihre maximale Ruhespannung 16 circa 4,2 V beträgt.
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Um einen Lithium-Akkumulator als Akkumulator 4 für den Einsatz im 14 V-Bordnetz 2 zu realisieren, könnten entweder drei oder vier dieser herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzellen in Serie geschaltet werden, um eine Bordnetzspannung zwischen den Spannungsgrenzen 22, 24 des 14 V-Bordnetzes 2, also zwischen 10,8 V und 15 V zu erhalten.
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In 3 sind die entsprechenden Ladezustands-Ruhespannungskennlinien 18, 20 der Lithium-Akkumulatoren gezeigt.
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Die obere Kennlinie 18 in 3 zeigt den Ruhespannungsverlauf eines Lithium-Akkumulators aus einer Serienschaltung von vier herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzellen über seinen Ladezustand. Die Spannung dieses Lithium-Akkumulators oberhalb seines Ladezustandes von 50% übersteigt die obere Spannungsgrenze 22 des 14 V-Bordnetzes von 15 V, so dass die Kapazität der einzelnen Lithium-Akkumulatorzellen in diesem Fall nur zu circa 50% genutzt werden kann.
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Die untere Kurve 20 in 3 stellt die Ruhespannung eines Lithium-Akkumulators aus einer Serienschaltung von drei herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzellen über seinen Ladezustand dar. Die Ruhespannung dieses Lithium-Akkumulators unterhalb seines Ladezustands von 45% fällt unter die untere Spannungsgrenze 24 des 14 V-Bordnetzes von 10,8 V, so dass die Kapazität der einzelnen Lithium-Akkumulatorzellen in diesem Fall nur zu circa 55% genutzt werden kann.
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Da ein Lithium-Akkumulator aus einer Serienschaltung von herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzellen sowohl bei der Serienschaltung von drei Zellen als auch bei der Serienschaltung von vier Zellen nur zu maximal 55% hinsichtlich der von den Zellen verfügbaren Speicherkapazität ausgenutzt werden kann, sind derartige Lithium-Akkumulatoren für den Einsatz als Akkumulator 4 im 14 V-Bordnetz 2 nicht geeignet. Für den Einsatz im 14 V-Bordnetz 2 müssen die Lithium-Akkumulatorzellen idealerweise eine andere Spannungslage und gleichzeitig eine geringere Differenz zwischen maximaler und minimaler Ruhespannung aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird für den Einsatz der Lithium-Zelltechnologien im Akkumulator 4 des 14 V-Bordnetzes 2 das Material der Anode und/oder der Kathode einer herkömmlichen Lithium-Akkumulatorzelle verändert. Damit kann der Verlauf der Ruhespannung über den Ladungszustand der Lithium-Akkumulatorzelle und damit ihre Ladezustands-Ruhespannungskennlinie beeinflusst werden, so dass die Spannungsgrenzen 22, 24 für das 14 V-Bordnetz eingehalten werden können, ohne dass die Lithium-Akkumulatorzelle nur teilweise hinsichtlich ihrer verfügbaren Speicherkapazität ausgenutzt werden muss. Das Material der Anode und/oder der Kathode muss für die Lithium-Akkumulatorzellen abhängig von ihrer benötigten Spannungslage ausgewählt werden. Die notwendige Spannungslage der einzelnen Lithium-Akkumulatorzellen bestimmt sich danach, was durch eine Serienschaltung von beispielsweise drei oder vier Lithium-Akkumulatorzellen 14 V-Bordnetz 2 als Spannungslage erreicht werden soll. Die Differenz der maximalen und minimalen Ruhespannung der Lithium-Akkumulatorzelle muss dabei so gering sein, dass der Akkumulator 4 den gesamten Ladezustandsbereich der Lithium-Akkumulatorzellen nutzen kann, ohne die obere und untere Spannungsgrenze 22, 24 des 14 V-Bordnetzes 2 zu über- bzw. unterschreiten.
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In 4 ist eine Ladezustands-Ruhespannungskennlinie 26 einer Lithium-Akkumulatorzelle gezeigt, in der als Material für ihre Kathode Lithium-Eisenphosphat zum Einsatz kommt. Diese Lithium-Akkumulatorzelle ist für die Verwendung im 14 V-Bordnetz 2 ausgezeichnet geeignet. Ihre minimale Ruhespannung 30 beträgt circa 3,0 V während ihre maximale Ruhespannung 28 circa 3,2 V beträgt.
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In 5 ist eine Ladezustands-Ruhespannungskennlinie 32 für eine Serienschaltung aus vier Lithium-Akkumulatorzellen gezeigt. Bei voll geladenen Akkumulatorzellen weist diese Serienschaltung – wie heutige Blei-Säure-Akkumulatorsysteme, eine maximale Ruhespannung 34 von 12,8 V auf. Bei vollständig entladenen Akkumulatorzellen weist die Serienschaltung eine minimale Ruhespannung 36 von 12,0 V auf. Die Spannungslage liegt – aufgrund des sehr flachen Verlaufs der Ruhespannungskennlinie der Serienschaltung – höher als bei einem Blei-Säure-Akkumulator. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber den Blei-Säure-Akkumulatoren dar.
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Durch Auswahl einer geeigneten Technologie können weitere Eigenschaften der Batterie optimiert werden. Dies können beispielsweise die Kaltstartfähigkeit oder die Eignung für hohe Betriebstemperaturen im Motorraum sein. Weiter findet die Erfindung auch in anderen Energieversorgungsnetzen als dem beschriebenen 14 V-Bordnetz Anwendung, z. B. für Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen, etc..
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Erfindungsgemäß kann über das Material der Elektrode einer Lithium-Akkumulatorzelle ihre Ladezustands-Ruhespannungskennlinie beeinflusst werden.
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Neben der obigen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung der Figuren verwiesen.
