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.

Selbstkontrollbeschützer (SCP)

Der von Dexerials entwickelte "Self Control Protector" (SCP) ist eine Sicherungskomponente, die den Lade-/Entladekreis im Sekundärschutz von Li-Ionen-Batterien physikalisch trennt. Das SCP sorgt für Sicherheit, indem es den Stromkreis durchtrennt, wenn die Batterie instabil wird oder wenn der Primärschutz nicht richtig funktioniert. Die Aufgabe des SCP besteht darin, den Betrieb einer instabilen Batterie sofort zu stoppen und sie sicher vom Stromkreis zu trennen.

Eine Sicherung ist ein Schutzelement, das in elektrischen Geräten häufig verwendet wird. Sie unterbricht einen Stromkreis, indem sie das Sicherungselement bei Überstrom durch Joule-Wärme schmilzt. Bei Lithium-Ionen-Akkus muss jedoch nicht nur Überstrom, sondern auch Überladung berücksichtigt werden. Seit seiner Einführung im Jahr 1994 gilt SCP von Dexerials als Standardkomponente sekundärer Schutzsicherungen für Lithium-Ionen-Akkus. Bis März 2024 wurden bereits über 2,84 Milliarden Einheiten ausgeliefert.

Unten sehen Sie das Konzeptdiagramm und das Ersatzschaltbild der SCP-Struktur.

Bei „SCP“ handelt es sich gleichzeitig auch um eine Sicherung, d.h. der Stromkreis wird durch das Schmelzen des Sicherungselementes unterbrochen. Bei Überstrom funktioniert sie wie eine normale Sicherung. Der entscheidende Punkt ist Überladung. Wenn eine Überladung erkannt wird, fließt Strom durch die Heizung unter dem Element und erzeugt Wärme. Diese Wärme schmilzt das Element und unterbricht den Stromkreis.

In diesem Diagramm und Foto ist oben ein „SCP“ zu sehen, das aufgrund von Überstrom getrennt wurde, und unten ist ein „SCP“ zu sehen, das aufgrund von Überladung getrennt wurde.

Das Potenzial und die Zukunft von SCP

Seit rund 30 Jahren beschäftigt sich Dexerials mit der Forschung und Entwicklung des Schutzes von Lithium-Ionen-Batterien. Das SCP ist als Sekundärschutzsicherung für Li-Ionen-Akkus weit verbreitet und wird in vielen Laptops installiert, bei denen der Sekundärschutz von entscheidender Bedeutung ist.

Für Geräte wie Smartphone und Tablets:
SCP spielt eine wichtige Rolle beim Schutz vor Überladung oder Tiefentladung des Akkus in diesen Geräten. Es trägt zur Verlängerung der Akkulaufzeit und zur Verbesserung der Sicherheit bei und verbessert so das Benutzererlebnis erheblich. (Weitere Informationen finden Sie im Artikel „SCP-Technologie (Sekundärschutz Fuse) für schnellladende Smartphone“).

Elektrowerkzeuge:
Im Elektrowerkzeugbereich, wo hohe Haltbarkeit und Sicherheit gefordert sind, fungiert der Oberflächenmontierte Sicherung als wichtige Sicherheitsvorrichtung. Er schützt den Akku auch unter rauen Betriebsbedingungen und ermöglicht effizientes Arbeiten. (Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Die Entwicklungsgeschichte von Elektrowerkzeugen und Dexerials‘ Oberflächenmontierte Sicherung, dem Self-Control Protector (Oberflächenmontierte Sicherung)“)

Drohne:
Drohne, die ein rasantes Marktwachstum und technologische Innovationen erleben, benötigen ein leichtes und hocheffizientes Batteriemanagement. SCP wird voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der Maximierung der Flugzeit Drohne bei gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren Fluges spielen. (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 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 wird nicht enden. Wir arbeiten weiterhin an der Entwicklung sicherer und effizienterer Schutzelemente für Lithium-Ionen-Batterien mit dem Ziel kleinerer Abmessungen und höherer Stromstärke. Wir haben außerdem einen Artikel über den Entwicklungsprozess veröffentlicht („Das Potenzial von Sekundärschutz (SCPs) – Neue Märkte durch Funktionen gegen Überladung und Überstrom“). Schauen Sie doch mal rein.