Was ist „SCP“? – Schutz von Lithium (Li)-Ionen-Batterien vor Fehlern wie Überladung, Überstrom

Vorteilhafte Eigenschaften von Li-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus dienen als Stromquelle für Geräte wie Smartphones und Laptops. Mit dem technologischen Fortschritt sind diese Akkus kleiner und leistungsstärker geworden und werden mittlerweile auch in Drohnen und Elektrofahrrädern eingesetzt. Lithium-Ionen-Akkus sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie werden aufgrund der folgenden drei Hauptvorteile in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt:

1. Hohe Spannung und hohe Energiedichte
   Lithium-Ionen-Akkus liefern etwa die dreifache Spannung (Nennspannung 3,7 V) im Vergleich zu Nickel-Cadmium- (NiCd) oder Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) ähnlicher Größe (beide mit einer Nennspannung von 1,2 V). Diese höhere Nennspannung bedeutet, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Akkus mit weniger Zellen die gleiche Spannung erzeugen können. Zudem weisen sie eine höhere Energiedichte als andere Akkus auf, was zu kleineren und leichteren Produkten führt.
2. Selbstentladungseigenschaften
   Die Selbstentladungsrate eines Lithium-Ionen-Akkus beträgt etwa 5 % pro Monat und ist damit weniger als ein Fünftel der Rate von NiCd- oder NiMH-Akkus. Das bedeutet, dass der Akku selbst nach mehrmonatiger Nichtbenutzung noch etwa die gleiche Energiemenge speichert wie ein herkömmlicher Akku nach einem Monat Nichtbenutzung.
3. Kein Memory-Effekt
   Bei herkömmlichen NiCd- und NiMH-Akkus verringert wiederholtes Teilladen die Gesamtlebensdauer des Akkus (Memory-Effekt). Lithium-Ionen-Akkus hingegen haben diesen Memory-Effekt nicht und können daher wiederholt geladen werden.

Sicherheit von Li-Ionen-Akkus

Die folgende Abbildung veranschaulicht die Klassifizierung von Batterien. Die in diesem Artikel behandelten Batterien sind wiederaufladbare Batterien (Batterien, die wiederaufladbar und wiederholt verwendbar sind) und fallen in die Kategorie der chemischen Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind leistungsstarke, kompakte und leichte Akkus, die herkömmliche Batterien in elektronischen Geräten deutlich übertreffen. Trotz der Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien bleiben Herausforderungen bestehen, wie beispielsweise das Risiko einer Überladung.

Im Folgenden sind typische Aktivmaterialien und Elektrolyte für die positiven und negativen Elektroden von Standard-Akkus (Blei-Säure-Akkus, NiCd-Akkus, NiMH-Akkus und Lithium-Ionen-Akkus) aufgeführt. Wasser dient als Lösungsmittel für den Elektrolyten in allen Akkus, mit Ausnahme von Lithium-Ionen-Akkus, die ein organisches Lösungsmittel verwenden. Dieses organische Lösungsmittel ermöglicht Lithium-Ionen-Akkus eine Nennspannung, die die Spannung für die Wasserelektrolyse (1,23 V) übersteigt.

Beim Laden eines Nickel-Metallhydrid-Akkus oder Nickel-Cadmium-Akkus steigt die Akkuspannung mit fortschreitendem Ladevorgang allmählich an, erreicht einen Höchstwert, wenn der Akku nahezu vollständig geladen ist, und erreicht dann einen Gleichgewichtszustand. Andererseits steigt die Batterietemperatur weiter an, aber nicht signifikant. Wenn man bedenkt, dass die Batteriekapazität im Vergleich zu ihrer Größe gering ist und der Elektrolyt eine wässrige Lösung (nicht brennbar) ist, kann man sagen, dass es sich um eine relativ sichere Batterie handelt.

Wenn dagegen ein Lithium-Ionen-Akku ohne jegliche Sicherheitsvorkehrungen weiter geladen wird, steigen sowohl die Akkuspannung als auch die Akkutemperatur weiter an, selbst nachdem der Akku vollständig aufgeladen ist (siehe Abbildung unten).

Bedenkt man, dass hier eine große Energiemenge auf kleinem Raum und bei hohen Temperaturen gefangen ist und zudem organische Lösungsmittel (brennbare Flüssigkeiten) vorhanden sind, kann man sagen, dass es sich um eine Batterie handelt, die „bei Überladung gefährlich“ ist. Es besteht jedoch, wie oben erwähnt, kein Zweifel daran, dass es sich um eine Batterie mit hervorragenden Eigenschaften, wie beispielsweise einer hohen Energiedichte, handelt und dass hinsichtlich Leistung und Sicherheit verschiedene Verbesserungen vorgenommen wurden, die zu ihrer heutigen weiten Verbreitung geführt haben.

Sekundärschutz für Li-Ionen-Batterien

Wiederaufladbare Batterien, die wiederholt verwendet werden, verfügen über ein Batteriemanagementsystem (BMS), das das Laden und Entladen überwacht und regelt. Das BMS befindet sich zwischen Batterie und Gerät (oder Ladegerät) und überwacht und steuert elektronisch Strom, Spannung und Temperatur der Batterie. Das BMS erkennt die meisten Anomalien und schützt so die Batterie während des Betriebs.

Allerdings können selbst die Schutzfunktionen elektronischer Schaltungen gelegentlich aufgrund von Anomalien oder Halbleiterfehlern versagen. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist aufgrund der potenziell schwerwiegenden Folgen von Anomalien wie Feuer oder Explosion ein sekundärer Schutz eingebaut. Daher ist eine zuverlässige sekundäre Schutzmethode für mehr Sicherheit erforderlich.

Selbstkontrollschutz (SCP)

Der von Dexerials entwickelte „Selbstkontrollschutz“ (SCP) ist eine Sicherung, die den Lade-/Entladekreis im sekundären Schutz von Lithium-Ionen-Akkus physisch trennt. Der SCP gewährleistet Sicherheit, indem er den Stromkreis unterbricht, sobald der Akku instabil wird oder der primäre Schutz nicht ordnungsgemäß funktioniert. Seine Aufgabe ist es, den Betrieb eines instabilen Akkus sofort zu stoppen und ihn sicher vom Stromkreis zu trennen.

Eine Sicherung ist ein in elektrischen Geräten weit verbreitetes Schutzbauteil. Sie unterbricht einen Stromkreis, indem sie bei Überstrom das Sicherungselement durch Joulesche Wärme zum Schmelzen bringt. Bei Lithium-Ionen-Akkus muss jedoch neben Überstrom auch Überladung berücksichtigt werden. Seit ihrer Einführung im Jahr 1994 gilt die SCP-Sicherung von Dexerials als Standardkomponente für sekundäre Schutzsicherungen von Lithium-Ionen-Akkus. Bis März 2024 wurden über 2,84 Milliarden Einheiten ausgeliefert.

Die SCP-Struktur und das Schaltbild sind unten dargestellt.

Der SCP funktioniert bei Überstrom wie eine herkömmliche Sicherung und unterbricht den Stromkreis, sobald das Sicherungselement schmilzt (siehe Diagramm A). Die Aktivierung des SCP bei Überladung ist jedoch einzigartig. Der SCP verfügt über eine Heizung unterhalb des Sicherungselements.

Bei einer Überladung wird die Heizung aktiviert und schmilzt das Sicherungselement, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird, wie in Diagramm B unten dargestellt.

Das Potenzial und die Zukunft von SCP

Seit rund 30 Jahren forscht und entwickelt Dexerials im Bereich des Schutzes von Lithium-Ionen-Akkus. Der SCP (Supplementary Protection Device) hat sich als zusätzliche Sicherung für Lithium-Ionen-Akkus weit verbreitet und ist in vielen Laptops verbaut, wo ein zusätzlicher Schutz unerlässlich ist. Die Leistungsfähigkeit von Akkus hat sich deutlich verbessert, und ihre Anwendungsmöglichkeiten haben sich auf diverse Geräte wie Digitalkameras, Smartphones, Tablets, Elektrowerkzeuge und sogar Elektrofahrzeuge erweitert. In letzter Zeit sind unerwartete Anforderungen wie das Schnellladen entstanden, die eine weitere Verbesserung des SCP erforderlich machen. Dexerials wird seine Forschungs- und Entwicklungsarbeit fortsetzen, um die Innovation sichererer und komfortablerer Akkus zu fördern.

Für Geräte wie Smartphone und Tablets:
Die SCP-Technologie spielt eine wichtige Rolle beim Schutz des Akkus vor Überladung und Tiefentladung in diesen Geräten. Sie trägt zur Verlängerung der Akkulaufzeit und zur Erhöhung der Sicherheit bei und verbessert somit das Nutzererlebnis erheblich. (Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Sekundärschutz (SCP) für Schnelllade-Smartphone“).

Elektrowerkzeuge:
Im Bereich der Elektrowerkzeuge, wo hohe Langlebigkeit und Sicherheit unerlässlich sind, fungiert der SCP als wichtige Sicherheitsvorrichtung. Er schützt den Akku auch unter rauen Betriebsbedingungen und ermöglicht so effizientes Arbeiten. (Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Die Geschichte der Entwicklung von Elektrowerkzeugen und Dexerials‘ SCP, dem Selbstkontrollschutz (SCP)“.)

Drohne:
Drohne, die ein rasantes Marktwachstum und technologische Innovationen erleben, benötigen ein leichtes und hocheffizientes Batteriemanagement. SCP (Sustainable Power Control) wird voraussichtlich eine wichtige Rolle dabei spielen, die Flugzeit Drohne zu maximieren und gleichzeitig einen sicheren Flug zu gewährleisten. (Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Geschichte und Zukunft der Drohne– Höhere Leistung, längere Flugzeit, höhere Spannung und die dazugehörigen Technologien“.)

Elektroautos und -fahrräder:
Im Bereich der Elektrofahrzeuge verbessern SCPs die Batteriesicherheit und ermöglichen Langstreckenfahrten. Durch die Unterstützung hoher Ströme tragen sie zudem zur Verbreitung des Schnellladens bei. (Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Elektromotorräder verbreiten sich weltweit und ihre Sicherheit (Batterien und Sekundärschutz)“).

Die Entwicklung von SCPs schreitet stetig voran, und wir arbeiten kontinuierlich an der Entwicklung sichererer und effizienterer Schutzelemente für Lithium-Ionen-Batterien mit dem Ziel, kleinere Abmessungen und höhere Stromstärken zu erreichen. Einen Artikel zum Entwicklungsprozess („ Das Potenzial von Sekundärschutz (SCPs) – Neue Märkte durch Funktionen gegen Überladung und Überstrom“) finden Sie hier.