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Batterieausführungen - ein Blick auf alte und
neue Lösungen
Um 1700 und 1800 wurden die Batteriezellen
in grossen Glasbehältern untergebracht. Später wurden Mehrzellen-Batterien
entwickelt, die in Holzbehältern eingebaut wurden. Die Holzbehälter
wurden mit einem Dichtungsmaterial behandelt, um das Auslaufen von Elektrolyt
zu verhindern. Mit dem aufkommenden Bedarf von Beweglichkeit wurden zylindrische
Zellen entwickelt. Die versiegelten Zellen wurden nach dem 2. Weltkrieg zum Standard.
Der
Bedarf an immer kleineren und kompakteren Zellen führte zu einer kontinuierlichen
Verkleinerung der Batteriezellen, und um 1980 erschienen die ersten Knopfzellen
auf dem Markt. In den frühen 1990 erschienen die prismenförmigen Zellen,
welchen etwas später die modernen folienförmigen Zellen folgten. Wir
werden nun die Stärken und Schwächen dieser verschiedenen Ausführungsformen
untersuchen.Die
zylindrische Zelle
Die zylindrische Zelle ist noch immer die am weitesten
verbreitete Ausführungsform. Sie ist einfach zu produzieren, gestattet die
grösste Energiedichte und ist mechanisch sehr stabil. Der Zylinder weist
die Fähigkeit auf, innerem Druck sehr gut zu wiederstehen. Die typischen
Anwendungsgebiete sind drahtlose Kommunikation, mobile Datenverarbeitung, biomedizinische
Instrumente, Werkzeuge und andere Applikationen, wo kleine Abmessungen nicht erforderlich
sind.
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Die meisten
Nickel-Kadmium-Batterien haben zylindrische Zellen. Auch andere Chemien verwenden
eine zylindrische Zellenkonstruktion. Die 18650 ist eine der häufigsten Lithium-Ion-Zelle
('18' bedeutet den Durchmesser und '650' die Länge, in mm). Auch Batterien
auf Bleibasis sind in zylindrischer Form erhältlich, wobei die Cyclone von
Hawker die häufigste ist.
Zylindrische Zellen sind mit wiederversiegelbaren
Ventilmechanismen ausgerüstet, um den Überdruck austreten zu lassen,
der bei starker Überladung entstehen kann. Auf Nickel basierende Zellen können
einem Druck von ungefähr 13,5 Bar oder 20 Pfund per Quadrat-Inch (psi) wiederstehen.
Die Entlüftung erfolgt bei zwischen 10 bis 13,5 Bar oder 150 bis 200 psi.
Der
Nachteil der zylindrischen Zelle ist die schlechte Platzausnützung. Auf Grund
der festgelegten Zellengrösse müssen Batterien um die bestehenden Zellgrössen
herum konstruiert werden.Die
Knopfzelle
Die Knopfzelle wurde entwickelt, um die Zellengrösse
zu reduzieren und die Lagerung zu verbessern. Nicht aufladbare Zellen werden in
Uhren, Hörhilfen und Speichergeräten angewendet.
| |  | Photo
courtesy of Sanyo;
design courtesy of Panasonic |
Die wiederaufladbare
Knopfzelle ist meistens auf Nickelbasis aufgebaut, und wird in älteren drahtlosen
Telefongeräten, biomedizinischen Geräten und industriellen Instrumenten
angewendet. Obschon in der Herstellung günstig, ist der Hauptnachteil die
Ladezeit von 10 bis 16 Stunden. Auch wird sie aufgebläht, wenn die Aufladung
zu schnell erfolgt. Neuere Konstruktionen verlangen die Möglichkeit der schnelleren
Aufladung. Knopfzellen haben kein Sicherheitsventil.
Die prismenförmige
Zelle
Die prismenförmige Zelle wurde in den frühen 1990er
Jahren entwickelt als Antwort auf den Wunsch von Kunden nach dünneren Batterieformen.
Prismenförmige Zellen sind gewöhnlich für die Familie der Lithiumzellen
vorgesehen. Die Polymerversion ist ausschliesslich eine prismenförmige Ausführung.
Ansicht
freundlicherweise durch Polystor zur Verfügung gestellt Die
prismenförmige Zelle erscheint in verschiedenen Grössen und mit Kapazitäten
von 400mA bis 2000mAh und mehr. Es gibt keine Standard-Zellen-Grösse; man
darf eher sagen, die prismenförmigen Zellen sind kundenspezifisch gebaut,
für Zellulartelefone und andere Geräte mit eher grösserem Volumen.
Die
negativen Punkte der prismenförmigen Zellen sind eine leicht kleinere Energiedichte
und höhere Produktionskosten als die zylindrischen Zellen. Dazu haben prismenförmige
Zellen nicht dieselbe mechanische Stabilität wie die zylindrischen Zellen.
Prismenförmige
Zellen haben kein Lüftungssystem. Um das Aufblähen unter dem Druck zu
verhindern, wird ein stärkeres Material für das Gehäuse verwendet.
Eine kleine Rundung muss bei der Entwicklung einberechnet werden. Die
Folienzelle
Die Einführung von Folienzellen um 1995 war ein grosser
Fortschritt in der Zellenentwicklung. Eher als aufwendige metallische Gehäuse
mit Glasdurchführungen für die elektrischen Leiter zu verwenden, wird
hier eine heiss versiegelbare Folie verwendet. Die elektrischen Kontakte bestehen
aus leitfähiger Folie, die mit der Elektrode verlötet ist und mit dem
Folienmaterial versiegelt wird.
Das Konzept der Folienzelle ein genaues
Zuschneiden der Zellendimensionen. Dies ist die effizienteste Lösung, um
den vorhandenen Platz zu nutzen, d.h. die Nutzung ist 90 bis 95%, der höchste
Wert unter allen Batterietypen. Da kein Metall verwendet wird, ist eine Folienzelle
sehr leicht. Die wichtigste Anwendung sind Zellulartelefone. Es gibt keine Standardfolienzellen;
jeder Hersteller baut eine spezielle Applikation.
Folienzellen werden ausschliesslich
für auf Lithium basierende Chemien verwendet. Die Produktionskosten sind
noch immer höher als konventionelle Systeme und ihre Zuverlässigkeit
wurde noch nicht vollständig nachgewiesen. Dazu kommt, dass die Energiedichte
und der Ladestrom leicht geringer sind. Die Lebenserwartung konnte noch nicht
klar definiert werden, aber sie bleibt geringer als für andere Verpackungssysteme.
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Ein
kritischer Punkt bei der Folienzelle ist das Aufblähen, das
erfolgt, wenn während dem Lade- oder Entladevorgang Gas entsteht.
Es muss die Möglichkeit bestehen, dass kleine Verformungen
stattfinden können, auch wenn die Batteriehersteller darauf
bestehen, dass in den Zellen kein Gas entstehe, solang die Zelle
korrekt geladen werde. Es ist besser, die Folienzellen nicht aufeinander
zu lagern, sondern sie nebeneinander zu legen.
Die Folienzelle ist höchst empfindlich gegen Verdrehung. Punktueller
Druck sollte ebenfalls vermieden werden. Die Schutzhülle muss
so konstruiert sein, dass sie die Zelle gegen jeden mechanischen
Einfluss schützt.
Wiederaufladbare Batterien für tragbare Geräte
Die meisten Hersteller von Handys, Laptops und Kameras entwickeln
für ihre Geräte auch selbst die entsprechenden Batterien.
Die Geräte wechseln schnell, mit dem Ergebnis, dass dafür
auch häufig neue Batterien entwickelt werden müssen.
Typische Batteriekontakte für Handys und Videokameras sind
Pluspol, Minuspol und ein Kontakt für den Temperatursensor.
Zusätzliche Kontakte, falls vorhanden, dienen für Kontrollschalter
oder zur Batterietyp Erkennung.
‚Intelligente' Batterien haben zusätzliche Kontakte für
eine Ladezustandsanzeige oder andere Informationen.
Für
die von den Geräteherstellern entwickelten Batterien gibt es
keine Normen und Standards. Jeder Hersteller hat seine eigene Konstruktion.
In
den 90er Jahren unternahm es das Forum (SBS) 'Intelligente' Batterien
für Laptops, Messgeräte und medizinische Geräte zu
normen.
Neben den Abmessungen wurden für diese Batterien auch Normen
für die Anschlüsse gemäß dem "SMBus protocol"
vorgesehen.
Wegen der Miniaturisierung der Geräte und der Entwickelung
eines lukrativen Marktes für Ersatzbatterien gingen die Laptophersteller
jedoch auch weiterhin Ihren eigenen Weg.
Die 'SMBus' Batterien (Typ 2020, 1030, 1020, 210, 202, 201, 36,
35, 30, 17 and 15)
werden heute noch sehr viel in Spezialinstrumenten eingesetzt.
(Siehe
auch "Die 'Intelligente' Batterie" in Teil 1 und "Wie
werden Laptopbatterien gewartet" in Teil 2)
Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer
von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte
Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über
zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren
Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann
er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über
Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund
um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten,
Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen
besuchen Sie bitte www.cadex.com.
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Copyright 2003 - 2005 Isidor Buchmann
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