Sekundärschutz von Li-Ionen-Batterien: Funktion und Entwicklung

Sekundärschutzlösungen für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus wurden 1991 eingeführt und etablierten sich aufgrund ihrer hohen Spannung und geringen Selbstentladung schnell als Standard für Mobilgeräte. Um ihre Sicherheit zu erhöhen, wurde der Self-Control Protector (SCP) als sekundäres Schutzelement entwickelt, das Überladung und Überstrom verhindert. Im Laufe der Jahre spielte 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 Self-Control Protector (SCP) bei der 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.
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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 wieder verwendet werden, sobald die Temperatur wieder ihren ursprünglichen Wert erreicht hat. Es ist jedoch gefährlich, einen bereits defekten Lithium-Ionen-Akku weiter zu verwenden. Daher haben wir das Konzept auf die Entwicklung eines Produkts ausgeweitet, das den Stromkreis bei Überladung oder Überstrom vollständig abschaltet, wenn der Primärschutz nicht funktioniert.

Nach einigen Versuchen und Irrtümern bestand die Lösung darin, eine Heizung einzubauen, die die Sicherung durchbrennen lässt. Diese Methode kann sowohl Überladung als auch Überstrom bewältigen und den Stromkreis auch physisch unterbrechen.
Die elektrische Struktur von SCPs ist in den folgenden Schaltplänen dargestellt. Links ist ein allgemeiner Schaltplan abgebildet, rechts ein dreidimensionaler Schaltplan, der die interne Struktur des SCP widerspiegelt. Der eigentliche SCP weist eine Struktur auf, bei der Sicherungen in einer dreidimensionalen Kreuzung auf 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 Störung und schaltet den FET ein, der den Heizkreis betreibt. In diesem Fall fließt Strom von T1 und T3 zum Heizelement und erzeugt Wärme. Diese Wärme wird auf das Sicherungselement übertragen, löst die Sicherung aus und unterbricht den Stromkreis. Gleichzeitig wird der Heizkreis unterbrochen, und die Wärmeerzeugung stoppt.

Ursprünglich 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 haben wir den Prototyp des SCP fertiggestellt.

Steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien und SCPs

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

Mit dem Wachstum des Marktes für Lithium-Ionen-Batterien stieg auch die Nachfrage nach SCPs. Diese Batterien werden heute in Laptops und großen Elektrogeräten wie Akkuwerkzeugen, Industriebatterien und Elektrofahrzeugen eingesetzt. In kleineren Geräten kommen sie in Laptops, Tablets, schnell aufladbaren Smartphones und automatisierten externen Defibrillatoren für medizinische Geräte zum Einsatz. Da weltweit zunehmend von Benzinmotoren auf Elektromotoren umgestiegen wird, müssen SCPs auch höhere Spannungen in großen Geräten bewältigen.

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