Die Wahl der Batteriechemie für Ihr Projekt

Wenn Sie ein Produkt entwickeln, das eine tragbare Stromversorgung benötigt, könnten Sie sofort an einen beliebten Lithium-Polymer-Akku oder einfache AA-Batterien denken. Aber ist das wirklich die optimale Wahl für Ihr Gerät? Lassen Sie uns einen Blick auf die riesige Auswahl an Optionen werfen, sowie auf andere Überlegungen, wenn es um die Wahl der Batterie geht.

Kritische Punkte zur Berücksichtigung

Ein oft von Ingenieuren vernachlässigter Aspekt bei der Wahl der Batterie ist, wie das Produkt an den Endbenutzer geliefert wird. Mit den Versandvorschriften für Lithium-basierte Batterien kann es schwierig sein, ein Produkt mit Lithium-Polymer-Batterien per Post an Ihren Endbenutzer zu senden. Aber der Versand von Batterien betrifft nicht nur Vorschriften, eine Blei-Säure-Batterie zum Beispiel ist sehr schwer und könnte aufgrund des Gewichts erhebliche Lieferkosten verursachen. Diese Nachteile können jeden Vorteil, den Sie von diesen Batterietypen erhalten, überwiegen.

Ein weiterer oft übersehener Aspekt sind die Umweltbedingungen, unter denen das Gerät verwendet wird. Wenn das Produkt im Freien oder in einer industriellen Umgebung eingesetzt wird, könnte es Temperaturen ausgesetzt sein, die weit niedriger oder höher sind, als einige Chemien vertragen können. Wenn Sie das Produkt in Ihrem Labor bei Raumtemperatur testen, sieht alles gut aus, dann landet das Produkt in Kanada und ist -40°C ausgesetzt, oder in Australien, wo es +45°C Umgebungstemperatur erlebt und plötzlich leisten die Batterien nicht wie erwartet. Batterien basieren auf chemischen Reaktionen, die bei -40°C verlangsamen, wenn das Elektrolyt nicht vollständig gefriert und die Batterie funktionsunfähig macht. Im australischen Beispiel kann eine schwarze Box in der Sonne leicht über 70°C erreichen. Solch hohe Temperaturen können dazu führen, dass einige Chemien auf feurige Weise versagen.

Wenn Ihr Produkt tragbar sein soll, können das Volumen und das Gewicht der Batterie eine bedeutende Rolle bei der Wahl spielen. Hörgeräte sind ein großartiges Beispiel dafür, denn man würde nicht erwarten, eine Blei-Säure-Batterie in einem Hörgerät zu sehen, zumindest nicht in einem für den menschlichen Gebrauch.

Die Spannung der Batterie könnte auch eine bedeutende Rolle bei Ihrer Wahl spielen. Wenn Sie mehrere Zellen benötigen, um eine für Ihr Projekt praktische Spannung zu erreichen, könnte das Paket zu sperrig oder unpraktisch werden. Eng verbunden mit der Spannung ist natürlich der Strom. Einige Batterien sind in der Lage, sehr hohe Ströme zu liefern, und andere könnten Mühe haben, überhaupt viel zu produzieren. Wenn Sie hohe Stromanforderungen für Motoren, helle LEDs oder Rechenleistung haben, könnten Sie viele Chemien sofort ausschließen.

Als Beispiel für diese Überlegungen hatte ich vor einiger Zeit einen experimentellen Autopiloten, der ein kleines unbemanntes Flugzeug für die Feldfotografie abstürzen ließ. Der Absturz ereignete sich mitten auf einem Feld, das 6 Monate lang keinen Regen gesehen hatte, an einem 42°C heißen und windigen Tag. Der große Lithium-Ionen-Polymer-Akku mit 4 Zellen wurde zerquetscht, und eine Zelle begann zu versagen. Dies setzte sich durch die anderen Zellen fort, bis die entweichenden Gase Feuer fingen und das umliegende Gras in Brand setzten. Wir hatten Glück, dass wir für diesen Fall ein Feuerwehrauto zur Hand hatten, sonst hätte es eine große Katastrophe werden können. Von da an flogen wir nur noch mit LiFePO4-Zellen, da diese nicht diesen kaskadierenden Ausfallmodus aufweisen und viel stabiler sind. Ich benötigte die Energiedichte einer Lithium-Sekundärzelle, aber nicht die Fähigkeit, Millionen an Brandschadenshaftungen zu kosten.

Das Feuer mag nicht nach viel aussehen, aber wenn dies am weit entfernten Ende seines Flugbereichs bei den Bäumen in der Ferne passiert wäre, wäre dies bis zu dem Zeitpunkt, zu dem wir dorthin fahren konnten, eine riesige Katastrophe gewesen. Ich habe Dutzende von Flugzeugen beim Testen neuer Hardware/Firmware zum Absturz gebracht, dies war das erste Mal, dass eines Feuer fing. Es zeigt, dass trotz vieler Tests Randfälle des Batterieverhaltens Sie beißen können, wenn die Situation genau richtig ist.

Primärzellen vs. Sekundärzellen

Wenn Sie nach einer Batterie suchen, müssen Sie überlegen, ob eine wiederaufladbare Batterie die richtige Wahl ist oder nicht. Ladeelektronik in Ihrem Gerät zu haben, kann sehr praktisch sein, aber es kann auch mit erheblichen regulatorischen Anforderungen und Sicherheitszulassungen einhergehen. Lithiumbasierte Batterien sind empfindlich darauf, wie sie geladen werden, und können eine feurige Katastrophe verursachen, wenn sie nicht gut behandelt werden. Andere Chemikalien kommen mit Überladung zurecht, ohne sich in ein Raketentriebwerk zu verwandeln.

Wenn Sie ein Gerät haben, das lange Zeit gelagert wird und unglaubliche Zuverlässigkeit benötigt, wenn es verwendet wird, dann ist eine wiederaufladbare Batterie wahrscheinlich nicht die Lösung, die Sie suchen. Beispiele, die Ihnen begegnet sein könnten, umfassen persönliche Notfallsender und automatisierte externe Defibrillatoren.

Was ist also eine Primär- oder eine Sekundärzelle? Einfach ausgedrückt, ist eine Primärzelle für den Einmalgebrauch. Die Chemikalien in der Batterie erzeugen eine Ladung, aber diese Reaktion kann durch Laden der Zelle nicht umgekehrt werden. Eine Sekundärzelle ermöglicht die Wiederverwendung durch Aufladen.

Primärzellen haben typischerweise relativ hohe Energiedichten und Lagerlebensdauern im Vergleich zu ihren Sekundärzellengegenstücken. Sekundärzellen können bequemer sein, da sie nach dem Entladen nicht ersetzt werden müssen, jedoch können sie nicht über einen langen Zeitraum in geladenem Zustand gelagert werden und haben möglicherweise nicht eine vergleichbare Kapazität für die gleiche Zellengröße wie eine Primärzelle.

Schnellvergleich

Hier ist ein schneller Vergleich der Faktoren, die ich für jede Chemie als wichtig erachte.

Primärzellen

Für den Entladestrom steht C für Kapazität. Also wäre eine 0,1C Entladung eines 2500mAh Akkus 250mAh.

Sekundärzellen

Nickel-Cadmium ist in Europa für neue Anwendungen verboten.

Alkaline

Ungefähr 80% der hergestellten Batterien sind Alkalizellen, daher sind sie wahrscheinlich die Batteriechemie, mit der Sie am meisten Erfahrung haben. Sie sind Primärzellen, was bedeutet, dass sie nicht wiederaufladbar sind. Sie finden sie in vielen gängigen Formen, wie Buchstabengrößen (AAA, AA, C, D), Knopfzellen oder Zellenpaketen (9V-Batterie). Diese gängigen Formen sind nicht exklusiv für Alkalibatterien, aber sie sind die am meisten standardisierte Form, in der Sie eine Alkalibatterie finden werden.

Die Nennspannung einer Alkalibatterie beträgt 1,5V. Eine neue Batterie kann jedoch je nach Qualität zwischen 1,5V und 1,65V variieren. Eine vollständig entladene Zelle hat eine Ruhe-Spannung von etwa 0,8V bis 1,0V.

Dieser Spannungsbereich ist für die meisten Elektronikgeräte recht praktisch, da drei Zellen mit einem sehr niedrigen Dropout-Regler ein 3,3V-Gerät betreiben können. Am Ende der Kapazität der Zelle wird die Spannung niedriger fallen, aber die meisten ICs werden die niedrigere Spannung problemlos verarbeiten. Aufgrund der Tatsache, dass dieselben Zellengrößen mit Sekundärzellen verwendet werden, die eine Nennspannung von 1,2V haben, ist ein Vier-Zellen-Paket im Allgemeinen das Minimum, das Sie verwenden möchten, um ein 3,3V-Gerät zu betreiben.

Der Entladestrom aus einer Alkalizelle ist relativ niedrig, und die nutzbare Kapazität hängt direkt vom Stromverbrauch ab. Bei einem Stromverbrauch von 25mA aus einer AA-Zelle können Sie mit etwa 2700mAh rechnen. Bei einer Belastung von 500mA sehen Sie jedoch nur etwa die Hälfte dieser Kapazität als nutzbar.

Alkalibatterien haben keine Einschränkungen für den Transport per Luft und sind praktisch in jedem Lebensmittelgeschäft, Convenience-Shop und Baumarkt weltweit erhältlich, was den Austausch erschöpfter Batterien sehr einfach macht. Die Kosten für Markenalkaline können ziemlich hoch sein, aber Marken mit niedrigen Kosten und Eigenmarken können außergewöhnlich günstig sein mit sehr wenig verlorener Kapazität und können sogar eine größere Kapazität als die Markenoption halten.

Einer der wichtigsten Nachteile von Alkalibatterien ist, dass sie anfällig für Leckagen sind. Einige Markenzellen werden als 100% auslaufsicher mit Garantie beworben und je nach Anwendung kann es sich lohnen, den Aufpreis für die Marke zu zahlen. Lecks werden verursacht, da die Batterie entlädt und Wasserstoffgas erzeugt. Dieses Gas kann dazu führen, dass die Isolierung zwischen dem Gehäuse und dem Deckel versagt oder andere Sicherheitsvorrichtungen wie Entlüftungen öffnen. Sobald die Dichtung versagt hat, wird Säure als kristallines Wachstum auslaufen, das die meisten Metalle, mit denen es in Kontakt kommt, korrodieren wird.

Alkalibatterien sind leicht recycelbar, mit vielen Lebensmittel- und Bürobedarfsgeschäften auf der ganzen Welt (insbesondere in Europa), die Recyclingbehälter für sie anbieten.

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Lithium (Primärzellen)

Es gibt zwei Hauptchemien von Lithium-Primärzellen für Verbraucher, Lithium-Mangandioxid (Li-MnO2) und Lithium-Eisendisulfid (Li-FeS2). Lithium-Mangandioxid-Zellen haben eine Nennspannung von 3-3,3 V und finden sich typischerweise in Knopfzellverpackungen. Lithium-Eisendisulfid findet man am häufigsten in Hochentladungs-/Kapazitätszellen als Ersatz für Alkalibatterien in AAA/AA-Größen.

Wenn Sie in der Luft- und Raumfahrt oder im militärischen Bereich arbeiten, ist Lithium-Kohlenstoffmonofluorid eine praktikable Option für eine geringe Selbstentladung bei erhöhten Temperaturen und ist für Anwendungen im Weltraum qualifiziert. Die hohe Energiedichte macht es ideal für solche Anwendungen, jedoch sind die Kosten für Verbraucherprodukte prohibitiv.

Lithiumbatterien aller Chemien sind für den Lufttransport eingeschränkt. Einige Fluggesellschaften, Kurierdienste und Postdienste transportieren sie überhaupt nicht mehr oder beschränken den Transport auf in Verbrauchergeräte eingebaute Batterien. Leider ist dies nicht aus übermäßiger Vorsicht; mehrere Frachtflugzeuge gingen aufgrund von Bränden sowohl von Lithium-Primär- als auch Sekundärzellen verloren, wenn die Zellen schlecht verpackt waren oder fehlerhaft. Es gab mehrere Brandvorfälle mit Lithiumbatterien, die Sie finden können, wenn Sie die Aufzeichnungen der NTSB und CTSB durchsuchen.

Lithium-Mangandioxid

Diese Chemie der Lithiumzelle ist die am häufigsten auf dem Markt. Sie finden sie wahrscheinlich in Uhren oder Echtzeituhrbatterien aufgrund ihrer geringen Selbstentladung und hohen Energiedichte. Bei erhöhten Temperaturen steigt die Selbstentladungsrate schnell an, was sie am besten für Anwendungen bei Raumtemperatur geeignet macht.

Die Nennspannung der Zelle beträgt 3,0 V, aber eine neue Zelle bietet eine Leerlaufspannung von etwa 3,3 V. Sobald sie vollständig entladen ist, hat die Zelle eine Leerlaufspannung von etwa 2,0 V. Bei einer 2500mAh Zelle haben Entladeraten zwischen 5mA und 100mA einen vernachlässigbaren Effekt auf die nutzbare Kapazität. Unter einer Last von 200mA hat die Zelle jedoch nur 1700mAh nutzbare Ladung, und unter einer Last von 300mA fällt dies auf etwa 1300mAh. Lithium-Mangandioxid-Zellen vertragen kurze Pulse hoher Ströme gut, aber keine kontinuierliche Belastung. Ihr nutzbarer Strom variiert auch erheblich mit der Temperatur. Zum Beispiel, bei 60°C, erlaubt eine 40mA Last auf der zuvor genannten 2500mAh Zelle den vollen Verbrauch von 2500mAh, aber bei 0°C fällt diese Zahl auf etwa 2200mAh. Sie fällt weiter schnell zwischen -10°C und -20°C, von 1800mAh auf gerade über 1000mAh.

Die meisten gängigen Knopfzellengrößen sind weltweit in Convenience- und Lebensmittelgeschäften leicht erhältlich. Leider können diese auch direkt neben Alkalinersatz in derselben Verpackung stehen, die billiger sind. Ein Endbenutzer könnte unwissentlich eine Alkalizelle als Ersatz verwenden, was dazu führen kann, dass Ihr Gerät nicht den Spezifikationen entspricht, wenn Sie hohe Entladungsimpulse oder die viel größere Kapazität der Lithiumzelle benötigen.

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Lithium-Eisendisulfid

Wenn Sie eine Batterie für sehr niedrige Temperaturen benötigen, kann kaum etwas mit einer Lithium-Eisen-Disulfid-Batterie konkurrieren. Diese findet man üblicherweise als Energizer Lithium/Lithium Advanced AAA- oder AA-Zellen. Der Preis pro Wattstunde ist für diese Zellen sehr hoch im Vergleich zu einer Alkalibatterie. Wenn die Anwendung jedoch eine lange Lebensdauer erfordert oder es schwierig sein wird, entladene Batterien zu wechseln, könnten sie die einzige praktikable Option sein. Ich habe diese in einer Anwendung verwendet, die Leistung bei -50°C erforderte, und sie waren die einzige Batterie, die funktionierte.

Diese Zellen haben eine Nennspannung von 1,5V mit einer voll geladenen Leerlaufspannung von etwa 1,7V. Wenn sie vollständig entladen sind, fällt die Zelle auf etwa 0,8V Leerlaufspannung ab. Zusätzlich zu den niedrigen Temperaturfähigkeiten dieser Batterien, bewältigen sie relativ hohe kontinuierliche Entladungsraten außergewöhnlich gut. Eine Energizer Ultimate Lithium Zelle im AA-Format hat fast die doppelte Kapazität einer Alkalizelle, und vor allem, diese Kapazität fällt kaum ab, wenn sie mit 1Ampere belastet wird. Unter einer 1Ampere Last behält die Zelle fast ihre gesamte Kapazität von 3500mAh, während eine Alkalibatterie weniger als ein Drittel ihrer bewerteten Niedrigstromkapazität nutzbar hätte.

Diese Zellen finden Sie in den meisten größeren Geschäften weltweit. Kleinere Convenience-Stores haben sie aufgrund ihrer relativ hohen Kosten nicht immer vorrätig.

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Zinkoxid

Manchmal als Zink-Luft-Batterie bezeichnet, finden Sie diese Batterien in einer begrenzten Auswahl an Größen. Primär werden diese Batterien in Hörgeräten verwendet und haben eine enorme Kapazität, aber sobald sie aktiviert sind, haben sie eine sehr kurze Lebensdauer. Zink-Luft-Batterien haben einen Aufkleber auf einer Seite der Zelle, um zu verhindern, dass Luft eintritt. Sauerstoff in der Luft bildet die Kathode, also kann die Batterie funktionieren, sobald der Aufkleber entfernt wird. Die Anode der Batterie ist mit einem Elektrolyten gesättigt, der atmosphärische Feuchtigkeit anzieht und in der Wirksamkeit nachlässt, sowie mit Kohlendioxid reagiert, das ihre Leitfähigkeit reduziert. Diese Eigenschaften verleihen den Zellen eine Lebensdauer von etwa 7 bis 12 Tagen nach dem Aussetzen, unabhängig von der Nutzung. Wenn Sie eine Anwendung haben, die häufige Batteriewechsel mit einem sehr kleinen Formfaktor erlaubt, könnte diese Batterie für Sie geeignet sein.

Zinkoxid-Batterien haben eine Nennspannung von 1,4V und werden eine Leerlaufspannung von etwa 1,05V haben, wenn sie vollständig entladen sind. Obwohl die Chemie die höchste Energiedichte auf dem Markt hat, ist die Entladerate ziemlich begrenzt. Energizer betrachtet einen 24mA Impuls alle 2 Stunden, mit einem 8mA kontinuierlichen Abfluss an der Zelle, als hohen Abfluss, und mit einem 5mA Zug als Standard bei einer 600mAh Zelle. Die Entladekapazität hängt auch stark von der Temperatur ab, wobei die chemische Reaktion unter etwa -10⁰C nicht praktikabel ist.

Sie können Hörgerätebatterien in den meisten Geschäften kaufen, die irgendeine Art von Batterien verkaufen, und in Apotheken weltweit. Die leichte Verfügbarkeit dieser Batterien könnte sie trotz der kurzen Lebensdauer sehr attraktiv machen.

Silberoxid

Silberoxid-Batterien finden Sie nur in Knopfzellform und sie sind relativ teuer. Alkaline-Batterien derselben Größe und Spannung sind leicht verfügbar, haben jedoch eine deutlich geringere Kapazität. Wenn Sie eine kompakte, stromsparende Lösung benötigen, die jahrelange Lebensdauer und hohe Kapazität bietet, könnten Sie eine Silberoxid-Batterie in Betracht ziehen.

Die Nennspannung ist mit 1,55 V etwas höher als bei einer Alkaline-Zelle, und die Zelle kann bis auf 1,2 V entladen werden. Die Kapazität nimmt linear von Raumtemperatur bis -20⁰C ab, wo die Zelle etwa 50 % ihrer nutzbaren Kapazität bei Raumtemperatur hat. Eine Silberoxid-Batterie hat eine extrem niedrige Entladeleistung, wobei die meisten Datenblätter Entladekurven für nur 0,2 mA liefern, ohne eine Demonstration der Fähigkeit zur Belastung durch Impulsströme.

Silberoxid-Batterien sind schwerer zu finden als Alkaline-Batterien derselben Größe. Als ich in lokalen Geschäften im Vereinigten Königreich suchte, konnte ich nur Alkaline- und Lithium-Knopfzellenbatterien finden. Sie sind online leicht verfügbar, aber wahrscheinlich nicht etwas, das Sie als Ersatzzelle während Ihres Einkaufs im Supermarkt mitnehmen können.

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Blei-Säure

Blei-Säure-Batterien sind sehr günstig pro Wattstunde, aber ziemlich sperrig und sehr schwer. Sie finden sie häufig in Automobilen und Alarmanlagen. Wenn Sie ein System an einem festen, abgelegenen Ort betreiben müssen, möglicherweise mit Solarladung tagsüber, könnte eine Blei-Säure-Batterie genau das Richtige für Sie sein. Die Batterien sind beim Laden nicht besonders anspruchsvoll, sind ziemlich sicher und eine 100-Ampere-Stunden-Freizeitbatterie wird die meisten Systeme über einen längeren Zeitraum sehr zuverlässig bei minimalen Kosten betreiben.

Eine Blei-Säure-Batterie hat eine Nennspannung von 2,1 V pro Zelle, wird aber selten als Einzelzelle angeboten. Typischerweise sind sie in 3-, 6- oder 12-Zellen-Konfigurationen verfügbar, wobei Alarmanlagenbatterien 3 oder 6 Zellen, Automobil- und Freizeitbatterien 6 Zellen und LKW-Batterien 12 haben. Die Entladeraten für kurze Zeiträume sind ziemlich beeindruckend; eine typische leichte LKW-Batterie entlädt sich bei Kälte mit über 7C.

Die Entsorgung der Batterie kann aufgrund der Blei- und Schwefelsäurekonstruktion schwierig sein und ist bei Beschädigung hochgefährlich. Typischerweise können Sie beim Kauf einer neuen Batterie die alte zum Recycling eintauschen.

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Nickel-Cadmium

Nickel-Cadmium-Batterien sind eine ältere Technologie, die fast vollständig durch NiMH ersetzt wurde (wird als nächstes besprochen), und die Chemie ist für alle neuen Anwendungen in Europa verboten. Die Zellen sind sehr preiswert und können sehr hohe Entladeraten bewältigen, was attraktiv ist, jedoch hebt die Umweltgefährdung die geringen Kostenvorteile dieser Chemie auf.

Aufgrund der Nutzungseinschränkungen in Europa kann diese Chemie als veraltet und für kein neues Design verwendbar angesehen werden.

Nickel-Metallhydrid

Im Gegensatz zu Nickel-Cadmium sind Nickel-Metallhydrid-Zellen überall auf der Welt in großer Menge verfügbar. Wenn Sie an einem Verbrauchergerät arbeiten, sind NiMH-Batterien ein sehr starker Kandidat für eine Sekundärzelle. Sie haben nicht die gleiche Energiedichte wie eine auf Lithium basierende Sekundärzelle, haben aber auch keine Einschränkungen beim Transport, fangen nicht Feuer, wenn Sie sie nicht richtig laden, und sind extrem günstig. Nickel-Metallhydrid-Zellen eignen sich nicht für Anwendungen mit hohem Entladestrom und haben hohe Selbstentladungseigenschaften. Es gibt neuere Chemien mit geringer Selbstentladung, jedoch ist die Energiedichte in diesen Zellen immer noch niedriger.

Die Nennspannung einer NiMH-Batterie ist niedriger als die einer gleich großen Alkalibatterie, bei 1,2 V statt der 1,5 V, die die Alkalibatterie hat. Dies kann Probleme in einem Schaltkreis verursachen, der für die höhere Spannung der Alkalibatterie ausgelegt ist. Wenn sie vollständig entladen ist, hat die Zelle eine Leerlaufspannung von etwa 0,9 V. Obwohl die Chemie nicht für kontinuierlich hohen Entladestrom geeignet ist, kann sie dennoch eine 2C-Entladung bewältigen.

Die Selbstentladung kann ein großes Problem bei NiMH-Zellen sein. Neuere Chemien, die als geringe Selbstentladung (LSD) beworben werden, können so wenig wie 1 % Kapazität pro Monat verlieren, was einer Primärzelle ähnlich ist. Dies geht jedoch mit einem Verlust von etwa 8-10 % weniger Kapazität in der Zelle einher. Andererseits können Chemien ohne geringe Selbstentladung 20 % ihrer Ladung am ersten Tag nach dem Laden verlieren und danach bis zu 4 % pro Tag. Für Anwendungen, die wenig Strom ziehen, kann der Kapazitätsverlust einer Zelle mit geringer Selbstentladung durch eine verlängerte Lebensdauer mehr als ausgeglichen werden.

NiMH-Zellen sind weit verbreitet, es lohnt sich jedoch, ihre Verpackung auf die Kapazität zu überprüfen. Bei den größeren Zellengrößen, wie C und D, ist bekannt, dass die großen Marken eine kleinere Zelle in ein Kunststoffgehäuse einbauen, was der Zelle nur einen Bruchteil der erwarteten Kapazität bei einem höheren Preis als eine weniger bekannte Marke gibt. Das bedeutet, dass Sie leicht AA-, C- und D-Zellen mit der gleichen Kapazität und ähnlichem Gewicht von einer Marke wie Energizer finden können.

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Nickel-Zink

Wenn die niedrigere Spannung von Nickel-Metallhydrid für Ihre Anwendung unpraktisch ist, könnte Nickel-Zink das sein, wonach Sie suchen, aufgrund seiner höheren Spannung. Die Erfindung von Nickel-Zink geht zurück auf das Jahr 1901, aber erst kürzlich sind kommerzielle Optionen nach der Lösung der sehr begrenzten Batterielebensdauer praktikabel geworden. Jetzt können NiZn-Zellen eine ähnliche Anzahl von Zyklen wie NiMH-Zellen erreichen. Leider haben die Zellen eine ziemlich erhebliche Selbstentladung, von der berichtet wird, dass sie nach etwa 30 Zyklen erheblich zunimmt.

Die NiZn-Chemie liefert eine nominelle Spannung von 1,65 V, die jedoch nach dem Laden bis zu 1,85 V hoch sein kann. Ein Design, das eine NiMH- oder Alkalizelle erwartet, könnte feststellen, dass die Spannung über der Bewertung einiger Komponenten liegt, abhängig davon, wie viele Zellen in Serie geschaltet sind. Vollständig entladen, bleibt die Zelle bei 1,1 oder 1,2 V. Die Zellen haben typischerweise Herstellerdatenblatt-Diagramme mit einer Entladung von 3C oder mehr, die nur einen vernachlässigbaren Rückgang der Entladekapazität zeigen, was sie sehr attraktiv für Geräte mit hohem Stromverbrauch oder Geräte mit hohen Stromimpulsen macht.

Die Selbstentladung dieser Zellen ist meiner Meinung nach der größte Nachteil. Sie ist ziemlich erheblich mit über 10 % pro Monat! Wenn Ihre Anwendung erfordert, dass Batterien monatelang halten, könnte dies eine NiZn-Zelle ausschließen. Wenn Sie eine hohe Amperestärke oder eine höhere Spannung als NiMH benötigen und die Batterien häufiger laden können, ist es möglicherweise kein Problem.

Derzeit sind NiZn-Zellen am ehesten in AAA- und AA-Formen verfügbar, und ich habe sie nur online gefunden. Elektronik- und Fotogeschäfte im Vereinigten Königreich hatten sie nicht vorrätig, wo ich gesucht habe.

Lithium (Sekundärzellen)

Genau wie ihre Primärzellengegenstücke sind Lithium-Sekundärzellen aufgrund ihrer Neigung, zu Raketenmotoren des feurigen Untergangs zu werden, stark eingeschränkt für Reisen. Sie haben wahrscheinlich Geschichten aus den Medien gehört, von Telefonen, Laptops oder Tablets, die zu Feuerbällen wurden! Nun, das liegt an der Lithiumbatterie. Luftfracht in vielen Ländern ist ein No-Go, und sogar der Landtransport kann eingeschränkt sein. Dies kann es sehr schwierig machen, ein Produkt mit einem integrierten wiederaufladbaren Lithium-Akku zu verkaufen. Ich habe viel Erfahrung mit Lithium-Sekundärzellen und finde, dass die Gefahr eines Feuers übertrieben wird, aber ich hatte Brände, und es ist sicherlich etwas, das man im Auge behalten sollte.

Lithiumzellen haben eine sehr attraktive Energiedichte und enorme Entladeraten bei einigen Chemien. Doch diese Volatilität bedeutet, dass sie sehr empfindlich auf Tiefentladung, Überladung, Überhitzung und zu hohen Stromverbrauch reagieren. Wenn Sie eine Lithium-Sekundärzelle verwenden, sollten Sie sicherstellen, dass Ihre Lade- und Batterieschutzschaltungen geeignet sind. Es ist sehr üblich, thermische Sensoren an Lithiumzellen in Designs zu finden, um das Gerät abschalten zu lassen, wenn der Akku durch Entladung oder Laden zu heiß wird.

Es gibt viele Chemien für Lithiumbatterien, und Sie wissen möglicherweise nicht genau, was Sie kaufen. Die am häufigsten vorkommende ist Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2), das typischerweise als ‘ICR’ gekennzeichnet ist. An Beliebtheit gewinnt Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4), das typischerweise als ‘IMR’ gekennzeichnet ist. Mangan ist deutlich billiger als Kobalt und führt zu einer höheren Zellspannung (3,9 V nominal vs. 3,7 V nominal). Allerdings haben Mangan-Zellen eine niedrigere Energiedichte. Zellen mit hoher Entladung können Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNixMnyCo1-x-yO2) sein, die als ‘INR’ gekennzeichnet sind. INR-Zellen haben auch eine sehr gute Energiedichte und sind das, was Sie möglicherweise in einem Elektrofahrzeug finden. Dies sind alles Lithium-Ionen-Technologien, die auch in einer Lithium-Ionen-Polymer-Konstruktion verfügbar sind. Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) wird separat besprochen.

Lithium-Ionen vs. Lithium-Ionen-Polymer

Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt in der Konstruktionsmethode. Lithium-Polymer-Zellen verwenden eine dünne mikroporöse Polymermembran mit einem Gel-Elektrolyten, was zu einer höheren Energiedichte und einem höheren Entladungspotenzial führt. Diese dünne Polymermembran ist auch der Grund, warum Polymerzellen volatiler sind, da es für eine Zelle einfacher ist, einen Kurzschluss zu erleiden oder durch Überhitzung Probleme zu verursachen. Dies, in Kombination mit der höheren Energiedichte, ermöglicht ein energiereicheres Versagen.

Sie finden beide Konstruktionen in zylindrischen Zellen sowie in prismatischen (Beutel-) Zellen. Die Kosten sind typischerweise niedriger für Lithium-Ionen, da die Konstruktion weniger kompliziert ist.

Die 3,7V Nennchemien haben alle Spitzenladespannungen von 4,2V und sollten niemals auf 3,0V entladen werden. Eine Batterie, die auf unter 2,8V pro Zelle entladen wird, wird beschädigt und ihre Lebensdauer wird reduziert, mit einem größeren Risiko, während des Ladens oder bei starker Entladung instabil zu werden.

Lithium-Eisenphosphat

LiFePO4 ist der ruhigere, etwas geringere Dichte, niedrigere Spannung Cousin der anderen Lithium-Ionen-Zellen.

Lithium-Eisenphosphat bietet Ihnen eine Nennspannung von 3,2V und sollte nicht unter 2,2V entladen werden. Eine Entladung bis 2,0V birgt das Risiko einer Beschädigung der Zelle. Im Vergleich zu Lithium-Ionen und insbesondere Lithium-Ionen-Polymer haben sie etwa 20% niedrigere Spitzenentladungsstromstärke und Kapazität bei gleichem Gewicht/Volumen. Wenn Ihre Anwendung eine hohe Entladung erfordert, aber auch eine verbesserte Sicherheit gegenüber anderen Lithiumoptionen, könnte diese Zelle für Sie geeignet sein.

Als Anmerkung zu meiner Geschichte über das Feuer, ich habe zu diesem Zeitpunkt ein oder zwei Flugzeuge pro Woche bei der Fehlersuche zerstört. Allgemein konnten die Zellen aussehen wie eine Banane und waren dennoch in Ordnung, aber es braucht nur ein Ereignis, bei dem die Zelle intern einen Kurzschluss verursacht und ein Feuer auslöst, um viel Schaden anzurichten. Kleinere Lithium-Ionen-Polymer-Zellen sind ziemlich schwer in Brand zu setzen. Ich habe sehr hart versucht, 100-200mAh bewertete Packs bis zum Punkt eines Feuers physisch zu beschädigen, ohne Erfolg. Das Überladen selbst eines kleinen Akkus endet jedoch ziemlich wahrscheinlich schlecht.

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