Sekundärschutz von Li-Ionen-Batterien: Funktion und Entwicklung

Sekundärschutzlösungen für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus, die 1991 eingeführt wurden, etablierten sich aufgrund ihrer hohen Spannung und geringen Selbstentladung schnell als Standard für mobile Geräte. Um ihre Sicherheit zu erhöhen, wurde der Selbstschutz (SCP) als zusätzliche Schutzfunktion gegen Überladung und Überstrom entwickelt. Im Laufe der Jahre spielte der SCP eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Sicherheitsmaßnahmen für Lithium-Ionen-Akkus. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Lithium-Ionen-Akkus und untersucht die Rolle und Entwicklung des Selbstschutzes (SCP) zur Verbesserung der Akkusicherheit.

Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion) ist ein wiederaufladbarer Akku und gilt heute als Standard für tragbare Elektronikgeräte. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien können Lithium-Ionen-Akkus durch Umkehrung der chemischen Reaktion wieder aufgeladen werden. Diese Wiederaufladbarkeit macht sie ideal für Geräte, die häufig verwendet werden, wie Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeuge. Die Hauptkomponenten eines Lithium-Ionen-Akkus sind Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator. Diese Komponenten speichern und geben Energie ab. Diese Eigenschaften haben zu ihrer breiten Verbreitung in zahlreichen Branchen geführt.

Vergleich von Lithium und Lithium-Ionen

Obwohl Lithiumbatterien und Lithium-Ionen-Batterien beide Lithium als Hauptkomponente verwenden, gibt es erhebliche Unterschiede zwischen ihnen. Lithiumbatterien sind in der Regel Primärbatterien (Einwegbatterien), während Lithium-Ionen-Batterien wiederaufladbar sind. Lithiumbatterien haben tendenziell eine höhere Energiedichte und eine längere Haltbarkeit, sind aber aufgrund ihrer Einwegfunktion in ihrer Anwendung eingeschränkt. Lithium-Ionen-Batterien hingegen können hunderte Male wiederaufgeladen werden und eignen sich daher besser für Geräte, die häufige Aus- und Wiedereinschaltungen erfordern.

Der Unterschied zwischen Primärbatterie und Sekundärbatterie

Primärbatterien sind Einwegbatterien und müssen nach ihrer Entladung entsorgt werden. Sekundärbatterien hingegen können wiederaufgeladen und mehrfach verwendet werden, was sie langfristig kostengünstiger und umweltfreundlicher macht. Der Hauptvorteil von Sekundärbatterien liegt in ihrer Wiederverwendbarkeit, die insbesondere für Anwendungen wichtig ist, die eine dauerhafte Stromversorgung benötigen, wie beispielsweise Laptops, Smartphones und Elektrofahrzeuge.
Weitere Informationen zur Wiederverwendung und zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien finden Sie in diesem Artikel. Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Gesellschaft: Recycling und Wiederverwendung von Lithium-Ionen-Batterien und Schutzvorrichtungen von Dexerials

Was ist eine sekundäre Lithiumbatterie?

Sekundäre Lithiumbatterien sind wiederaufladbare Lithiumbatterien, wie Lithium-Ionen- (Li-Ionen) und Lithium-Polymer- (LiPo) Akkus. Diese Akkus können wiederaufgeladen und wiederholt verwendet werden. Dank ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer finden sekundäre Lithiumbatterien in einer Vielzahl von Anwendungen Anwendung, von der Unterhaltungselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen.

Wie sie funktionieren

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten zwischen Anode und Kathode transportiert werden. Beim Entladen fließen Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und versorgen das angeschlossene Gerät mit Energie. Beim Laden führt eine externe Stromquelle die Lithium-Ionen zur Anode zurück und speichert so Energie für die spätere Verwendung. Dieser reversible chemische Prozess ermöglicht das mehrfache Wiederaufladen der Batterie. Mit der Weiterentwicklung dieser fortschrittlichen Technologie wurden auch die Sicherheitsmaßnahmen weiter verbessert.

Ein Produkt mit langer Geschichte

Überladung kann zu Brand- oder Explosionsgefahr führen, da die Elektrolyte in Lithium-Ionen-Akkus brennbare organische Lösungsmittel enthalten. Aus diesem Grund sind die Zellen und Lade-/Entladeschaltungen von Lithium-Ionen-Akkus auf dem Markt immer mit einer Kontrollfunktion namens „Primärschutz“ ausgestattet, um Probleme zu verhindern, die zu Unfällen führen könnten, wie Überstrom oder Überladung. Doch selbst die besten elektronischen Schaltungen können in seltenen Fällen ausfallen. Anfang der 1990er Jahre wurde Sony Chemicals (heute Dexerials Corporation) mit der Entwicklung einer Sekundärschutzkomponente für Fälle beauftragt, in denen der Primärschutz in Lithium-Ionen-Akkus versagte.

Funktionsweise von Batterieschutzschaltungen

Batterieschutzschaltungen sind wichtige Komponenten, die Lithium-Ionen-Batterien vor potenziellen Gefahren wie Überladung, Tiefentladung und Kurzschlüssen schützen. Diese Schaltungen überwachen Spannung und Temperatur der Batterie und stellen sicher, dass sie innerhalb sicherer Grenzen arbeitet. Überschreitet ein Parameter seinen Grenzwert, greift die Schutzschaltung ein und trennt die Batterie von der Last oder dem Ladegerät, um Schäden zu vermeiden.

Was ist eine Schutzschaltung für Lithium-Ionen-Batterien?

Eine Schutzschaltung Lithium-Ionen-Batterie dient speziell dem Schutz von Lithium-Ionen-Zellen. Sie besteht typischerweise aus einer Kombination elektronischer Komponenten wie Transistoren, Dioden und Widerständen, die den Stromfluss steuern. Die Schaltung verfügt außerdem über ein Überwachungssystem, das den Batteriezustand kontinuierlich prüft und bei Bedarf Schutzmaßnahmen einleitet. Diese Schaltungen tragen entscheidend zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien und ihrem sicheren Betrieb in verschiedenen Anwendungen bei. Das Verständnis dieser Schutzmaßnahmen ist entscheidend für die Zuverlässigkeit batteriebetriebener Geräte in verschiedenen Anwendungen, einschließlich solcher mit Kondensationssensortechnologie.
​

Kondensationssensor-Technologie

Die Entwicklung von SCP begann mit Kondensationssensoren von Videokameras. Sony Chemicals wollte zunächst einen Sensor ähnlich einem PTC-Thermistor entwickeln, der Kondensationssensortechnologie nutzte. Dieser Ansatz scheiterte jedoch aufgrund verschiedener Herausforderungen.

Eine neue Methode führt zum Durchbruch bei der Stromkreisunterbrechung

Wird ein Stromkreis durch herkömmliche Sensortechnik unterbrochen, kann er nach Rückkehr der Temperatur in den Ausgangszustand wieder in Betrieb genommen werden. Die weitere Verwendung eines bereits defekten Lithium-Ionen-Akkus ist jedoch gefährlich. Daher haben wir unser Konzept auf die Entwicklung eines Produkts umgestellt, das den Stromkreis bei Überladung oder Überstrom vollständig abschaltet, sobald der primäre Schutz versagt.

Nach einigen Versuchen und Fehlschlägen bestand die Lösung darin, eine Heizung einzubauen, die die Sicherung auslöst. Diese Methode kann sowohl Überladung als auch Überstrom abfangen und den Stromkreis zudem physikalisch unterbrechen.
Die elektrische Struktur von SCPs ist in den folgenden Schaltplänen dargestellt. Links befindet sich ein allgemeiner Schaltplan, rechts ein dreidimensionaler Schaltplan, der die interne Struktur des SCPs widerspiegelt. Der tatsächliche SCP besitzt eine Struktur, bei der Sicherungen in einem dreidimensionalen Netzwerk über einem Heizelement (Widerstand) angeordnet sind.

Die folgenden Diagramme erklären die Funktionsweise von SCPs.

Der Stromfluss während des normalen Entladens und Ladens ist unten dargestellt.

Bei einem Überstrom schmilzt das Sicherungselement durch Joule-Wärme und unterbricht den Stromkreis.

Bei einer Überladung erkennt der sekundäre Schutz-IC die Anomalie und schaltet den FET ein, der den Heizkreis aktiviert. In diesem Fall fließt Strom von T1 und T3 zum Heizelement und erzeugt Wärme. Diese Wärme wird an das Sicherungselement abgegeben, löst die Sicherung aus und unterbricht den Stromkreis. Gleichzeitig wird der Heizkreis getrennt und die Wärmeerzeugung gestoppt.

Zunächst wurde eine flexible Leiterplatte (FPC) als Basismaterial für die Schaltung verwendet, um jedoch die Oberflächenmontage zu ermöglichen, wurde das Basismaterial durch ein Keramiksubstrat ersetzt. Damit war der Prototyp des SCP fertiggestellt.

Wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien und SCPs

1994 erhielten wir ein grundlegendes Patent für die laminierte Struktur der Heizung und Sicherung des SCP. Im selben Jahr wurde ein Lithium-Ionen-Akku mit SCP im Sekundärschutzschaltkreis auf den Markt gebracht. Die Lithium-Ionen-Akkus mit SCPs wurden schnell von vielen Computerherstellern übernommen. Auch heute noch werden Dexerials SCPs als Sicherungen in den Sekundärschutzschaltkreisen vieler Produkte, darunter Laptops, eingesetzt.

Mit dem Wachstum des Lithium-Ionen-Akkumarktes stieg auch die Nachfrage nach SCPs (Super-Convertible Power Battery). Heute werden diese Akkus in Laptops und großen Elektrogeräten wie Akkuwerkzeugen, Industriebatterien und Elektrofahrzeugen eingesetzt. In kleineren Geräten finden sie Verwendung in Laptops, Tablets, Smartphones mit Schnellladefunktion und automatisierten externen Defibrillatoren (AEDs) für medizinische Geräte. Da weltweit der Übergang von Benzinmotoren zu Elektromotoren voranschreitet, werden SCPs künftig auch für höhere Spannungen in größeren Geräten benötigt.

Der technologische Wandel ist weiterhin rasant. Dexerials wird auch weiterhin Produkte entwickeln, die den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden.