Ist es besser, bei 18650-Batterien einen hohen oder niedrigen Widerstand zu haben?

Die obige Frage könnte Sie interessieren. Ist es nicht offensichtlich, dass Batterien mit niedrigem Widerstand immer die besten sind? Schließlich verschwendet der Innenwiderstand Batterieenergie. Intuitiv könnte man argumentieren, dass eine widerstandsfreie Batterie ideal wäre! Nun ja, nicht wirklich, da der Nullwiderstand das Risiko von Kurzschlüssen erhöht.

Die Rolle des Widerstands in elektrischen Schaltkreisen ist vergleichbar mit der Reibung in unserem Alltag. Können Sie sich beispielsweise eine Welt ohne Reibung vorstellen? In einer solchen Welt wäre selbst Stehen oder Gehen problematisch, da alles aneinander vorbeigleiten würde. So wie Reibung die mechanische Bewegung reguliert, reguliert der elektrische Widerstand den Stromfluss. Bei jeder Batterieanwendung ist es wichtig, die Leistungszufuhr an den Leistungsbedarf anzupassen, und der Widerstand spielt dabei eine Rolle. Doch ab welchem ​​Widerstandswert ist er inakzeptabel? Betrachten wir dieses Thema am Beispiel der weit verbreiteten 18650-Batteriezelle.

Was ist der Innenwiderstand der Batterie?

Der Innenwiderstand einer Batterie ist der Widerstand, der dem internen elektrischen Stromfluss zwischen ihren Elektroden entgegengesetzt wird. Dies hängt von mehreren Faktoren wie Batterietyp, Chemie, Alter, Temperatur, Ladezustand und Anwendung ab.

Stellen Sie sich vor, dass elektrischer Strom, der in einem Batteriesystem fließt, so ist, als würde Wasser durch einen an einem Speichertank befestigten Wasserhahn abfließen. Dann ist der Spannungsunterschied an den Batterieelektroden wie der Pegel- oder Druckunterschied, der Wasser aus dem Tank drückt. Der Innenwiderstand einer Batterie kann mit dem Widerstand des Abgriffs verglichen werden, wie in gezeigt Figure 1.

Die Geschwindigkeit, mit der eine Lithium-Ionen-Batterie Strom liefern kann, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode bewegen. Ein innerer Widerstand verlangsamt ihre Fortbewegungsgeschwindigkeit. Der Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Batterien kann in drei Komponenten unterteilt werden, nämlich:

• Diffusionswiderstand
• Ladungsübertragungswiderstand
• Elektrolytbeständigkeit

Diese sind in Abbildung 2 dargestellt und werden im Folgenden beschrieben:

Diffusionswiderstand

Dies hängt mit der Ionenleitfähigkeit innerhalb der Elektroden zusammen. Lithiumionen, die von einer Elektrode zur anderen wandern, lösen sich von den Elektrodenstrukturen und lösen sich im Elektrolyten auf. Innerhalb der Elektrodenstrukturen werden diese wandernden Ionen durch lokale Atomanordnungen und elektrostatische Wechselwirkungen eingeschränkt, was zu einem Diffusionswiderstand führt.

Ladungsübertragungswiderstand

Dies ist der Widerstand, dem Lithiumionen beim Durchdringen der Festelektroden-Grenzschicht (SEI) begegnen. Die SEI bildet sich anfänglich während der Zellproduktion an der Anode, um Reaktionen zwischen Elektrode und Elektrolyt zu verhindern. Sie ermöglicht zwar die Migration von Lithiumionen, blockiert aber Elektronen. Die Dicke der SEI-Schicht nimmt im Laufe der Batterielebensdauer zu. Zur quantitativen Analyse des SEI-Widerstands wird dieser üblicherweise als Kombination aus Ladungstransferwiderstand und Doppelschichtkapazität modelliert. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt.

Elektrolytwiderstand

Die Geschwindigkeit, mit der sich Lithiumionen durch den Elektrolyten bewegen, hängt von den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Elektrolyten ab. Der Widerstand von Elektrolyt und Separator wird auch als Volumenwiderstand oder Ohmscher Widerstand bezeichnet. Es reagiert äußerst empfindlich auf niedrige Temperaturen, was einer der Gründe dafür ist, dass Lithium-Ionen-Batterien bei Minustemperaturen einen starken Kapazitätsverlust erleiden.

Wie misst man den Innenwiderstand einer 18650-Batterie?

Jede Komponente des elektrischen Widerstands weist einzigartige Eigenschaften auf, die unterschiedliche Messtechniken erfordern. Sie sollten sich auch darüber im Klaren sein, dass der Innenwiderstand kein konstanter Wert ist, sondern von der Temperatur, dem Ladezustand (SoC), der Chemie, der Konstruktion und dem Alter der Zelle abhängt. Daher müssen die Bedingungen, unter denen Messungen durchgeführt werden, explizit definiert werden. Zu den gängigen Methoden zur Widerstandsmessung gehören der Gleichstrom-Innenwiderstand (DC-IR), der Wechselstrom-Innenwiderstand (AC-IR) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Diese werden im Folgenden erläutert:

DC-IR-Widerstandsmessung

Bei dieser Methode wird ein Gleichstromimpuls an die Batteriepole angelegt und die Spannungsantwort gemessen. Der Widerstand wird anschließend durch Division des Spannungsabfalls durch den Strombedarf berechnet. Ein typischer Stromimpuls dauert etwa 30 Sekunden. Dabei werden sowohl der sofortige als auch der zeitverzögerte Spannungsabfall gemessen. Wie in Abbildung 4 dargestellt, wird beispielsweise der sofortige Spannungsabfall nach 0.1 Sekunden gemessen und entspricht dem ohmschen Widerstand „Ro“. Der Spannungsabfall nach einer Sekunde wird dem Ladungsübertragungswiderstand „R_{_CT} “ zugeordnet. Der anhaltende Spannungsabfall bis zu 20 Sekunden dient schließlich als Maß für den Diffusionswiderstand „R_{_D} “.

AC-IR-Widerstandsmessung

Bei der Wechselstrommethode wird ein Wechselstromsignal mit konstantem Strom an die Batterie angelegt. Dieses Wechselstromsignal hat im Allgemeinen eine feste Frequenz von 1 kHz, obwohl einige Produkte eine Variation der Frequenz ermöglichen. Die durch den variierenden Strom erzeugte kleine Spannung wird zur Berechnung der Impedanzwerte verwendet. Bitte beachten Sie, dass der Begriff Impedanz zur Beschreibung des Widerstands in Wechselstromkreisen verwendet wird. Dies liegt an der Reaktanzkomponente, bestehend aus induktiven und kapazitiven Effekten, die dem Stromfluss entgegenwirken. Zwischen der Reaktanz und dem ohmschen Widerstand besteht eine Phasendifferenz, die zur Berechnung der Impedanz vektoriell addiert wird.

Die gemessenen Reaktanz- und ohmschen Widerstandswerte für einen Frequenzbereich werden dann in einem Nyquist-Diagramm dargestellt. Abbildung 5 zeigt ein Diagramm für einen Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 Hz. 

Anhand der horizontalen Achse ist es möglich, den gesamten Innenwiderstand der Batterie in Komponenten wie Diffusionswiderstand, Ladungsübertragungswiderstand und Elektrolytwiderstand zu unterteilen.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)

EIS ist in erster Linie ein Forschungsinstrument zur Messung der dynamischen Impedanz von Batterien. Die Technik verwendet ein Potentiostat-/Galvanostat-Instrument, um ein kleines Wechselstrom- oder Spannungssignal über einen weiten Bereich von Testfrequenzen von einigen Millihertz bis hin zu Megahertz anzulegen. Die resultierende Spannungs- oder Stromreaktion wird digital verarbeitet und Impedanzwerte bei verschiedenen Frequenzen gemessen. Die Ergebnisse werden in einem Nyquist-Diagramm angezeigt. Die EIS-Einrichtung ist sehr teuer, komplex und zeitaufwändig und nicht für den Produktionslinienbetrieb geeignet.

Ist es besser, bei 18650-Batterien einen hohen oder niedrigen Widerstand zu haben?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns die Marktsegmente ansehen, in denen der 18650 dominiert. Aufgrund seiner hohen Energiedichte, seiner Kompaktheit und seines frühen Markteintritts findet der 18650 in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung. Dazu gehören Geräte und Spielzeug, Mobiltelefone, Computer, Stromspeicher, Drohnen, Elektrofahrräder und Elektrofahrzeuge. Jede Anwendung erlegt der Batterie unterschiedliche Muster des Strombedarfs auf. Beispielsweise müssen 18650-Zellen in Taschenlampen oder Laptops kleine, aber konstante Ströme liefern, beim Einsatz in Elektrowerkzeugen hingegen große, kurzzeitige Ströme. Bei Mobiltelefonen würde der aktuelle Bedarf in Form von Impulsen vorliegen, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Sie sollten außerdem bedenken, dass der Innenwiderstand von 18650-Zellen mit der Betriebstemperatur, dem Alter und dem Ladezustand (SoC) variiert. Geräte wie Laptops sind keinen extremen Temperaturen ausgesetzt. Elektrofahrzeuge und große Energiespeicher hingegen sind unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt. Abbildung 7 zeigt die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der Temperatur und dem SoC einer 18650-Batterie der Firma Tianjin Lishen.

Aus Abbildung 7 können Sie erkennen, dass die Innenwiderstandswerte des getesteten Modells zwischen 60 und 140 Milliohm liegen. Hierbei handelt es sich um typische Widerstandswerte, die je nach 18650-Modell verschiedener Hersteller variieren können. Was sind auf Grundlage dieser Widerstandsdaten die am besten geeigneten Anwendungen für 18650-Batterien? Abbildung 8 zeigt den Batterie- und Packwiderstand im Vergleich zu gängigen Anwendungen. Sie werden feststellen, dass in den meisten Anwendungen Batterien mit einem Innenwiderstand im Bereich von 10 Milliohm bis 100 Milliohm verwendet werden. Dies deckt sich weitgehend mit den Marktsegmenten, in denen 18650-Batterien erfolgreich waren. Bei Elektrofahrzeugbatterien wird ein geringerer Zellwiderstand bevorzugt. Auch wenn Tesla 18650-Batterien für seine frühen Limousinen einsetzte, war dies keine ideale Wahl. Mittlerweile sind sie zu größeren Formaten und Batterien mit geringerem Widerstand übergegangen.

Wir können daher den Schluss ziehen, dass ein Widerstandsbereich von 10 Milliohm bis 100 Milliohm ausreichend ist, damit die 18650-Batterien ihre Märkte im Bereich Unterhaltungselektronik und Gadgets behalten können. Ein höherer Widerstand ist nicht wünschenswert.

Was sind die Nachteile einer 18650-Batterie mit hohem Innenwiderstand?

Die Hauptnachteile eines hohen Innenwiderstands sind:

• Übermäßige Wärmeproduktion: Dies wird als „Joulesche Erwärmung“ bezeichnet und entsteht durch Energieverlust, wenn Strom durch einen Widerstand fließt. Unkontrollierte Erwärmung kann bei Lithium-Ionen-Batterien zu einem thermischen Durchgehen und einem Brand führen.
• Leistungsverlust: Die von der Batterie abgegebene Wirkleistung wird aufgrund des Innenwiderstands verringert.
• Batterielebensdauer: Aufgrund des schnelleren Kapazitätsverlusts erhöht sich die Häufigkeit der Aufladezyklen. Figure 9zeigt den Einfluss des Batteriewiderstands auf die Laufzeit eines Mobiltelefonakkus. Ein 100-Milliohm-Akku bietet die doppelte Laufzeit als ein Akku mit 400-Milliohm-Widerstand.

Was beeinflusst den Innenwiderstand einer Batterie?

Die folgenden Faktoren beeinflussen den Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich:

• Batteriechemie: Die Zusammensetzung der Elektrode und des Elektrolyten beeinflusst die Verfügbarkeit und Bewegung von Lithium-Ionen.
• Batteriealter: Die SEI-Schicht baut sich mit zunehmendem Alter auf und erhöht den Widerstand.
• Ladezustand (SoC): Der Widerstand nimmt zu, wenn der SoC abnimmt.
• Temperatur: Der Widerstand nimmt zu, wenn die Temperatur sinkt.
• Batterieaufbau: Batterien mit der gleichen Chemie und Größe, aber von verschiedenen Herstellern hergestellt, weisen einen unterschiedlichen Innenwiderstand auf. Dies ist auf Unterschiede in der Zellbauweise zurückzuführen.

Wie groß ist der Innenwiderstand verschiedener Arten von Lithiumbatterien?

Der Innenwiderstand ist, wie wir bereits erfahren haben, eine variable Größe, die von vielen Parametern abhängt. Hersteller veröffentlichen im Allgemeinen keine Widerstandskurven. Es liegen jedoch einige Forschungsdaten vor, die den Widerstand verschiedener Batterien vergleichen. Eine solche im Jahr 2022 veröffentlichte europäische Studie hat die Impedanz und den ohmschen Widerstand von Lithium-Ionen-Zellen verschiedener Hersteller gemessen. Die Messungen wurden mithilfe von EIS über einen Bereich von Frequenzen und Ladezuständen (SOC) durchgeführt. Der gemessene ohmsche Widerstand bei 50 % SOC für 10 verschiedene Modelle von Lithium-Ionen-NMC-Zellen im 18650-Format ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

 

Hersteller	Modell	Kapazität mAh	Nennspannung (V)	Ohmscher Widerstand bei 50 % SOC (Milliohm)
Macht behalten	P1834J	3400	3.7	100.07
LG Chem	HG2	3000	3.6	17.76
LG Chem	M26	2600	3.65	40.66
LG Chem	MJ1	3500	3.635	43.93
Murata	V3	2250	3.7	33.86
Murata	VTC5A	2250	3.7	73.56
Murata	VTC6	3120	3.7	12.74
Nitecore	NL1835HP	3500	3.6	53.67
Samsung	30Q	3000	3.6	13.24
Sanyo	ZT	2700	3.7	41.10

 

Warum ist der Innenwiderstand von Lithiumbatterien geringer als der von Trockenzellenbatterien?

Der Hauptgrund hierfür liegt in der zugrundeliegenden Chemie der Stromerzeugung. Bei Lithium-Ionen-Akkus ist der Elektrolyt so konzipiert, dass er über die gesamte Lebensdauer chemisch stabil und für Lithium-Ionen leitfähig ist. Es kommt zu keiner Ansammlung von Reaktionsprodukten. Trockenzellen hingegen, meist Zink-Kohle-Akkus, basieren auf irreversibler Chemie. Die Zinkkathode dieser Zellen reagiert irreversibel mit dem wässrigen Elektrolyten und setzt dabei Elektronen frei. Sowohl Zink als auch Elektrolyt werden verbraucht, und es bildet sich eine Schicht aus Reaktionsprodukten an der Kathode. In verschiedenen Trockenzellentypen kann der Elektrolyt Ammoniumchlorid, Zinkchlorid oder eine Lauge wie Kalium- oder Natriumhydroxid sein. Abbildung 10 veranschaulicht, wie sich Zinkreaktionsprodukte an der Kathode ansammeln und den Innenwiderstand einer Trockenzelle erhöhen.

Unter welchen Umständen wird der innere Widerstand zunehmen?

Sobald Sie den Typ und das Modell Ihres Lithium-Ionen-Akkus ausgewählt haben, werden Sie aus folgenden Gründen einen Anstieg des Widerstands feststellen:

• Alter: Mit zunehmendem Alter weisen Batterien einen erhöhten Innenwiderstand auf
• Niedrige Temperatur: Der Elektrolytwiderstand erhöht sich bei niedriger Temperatur. Deshalb müssen die Batterien von Elektrofahrzeugen in kalten Klimazonen aufgeheizt werden.

Welche Auswirkung hat der Innenwiderstand auf Batterien?

Der Innenwiderstand hat vor allem Einfluss auf die Leistung der Batterie. Dies macht sich in einem schnellen Spannungsabfall bemerkbar und die Batterie ist nicht in der Lage, entsprechend ihrer Nennkapazität Strom zu liefern. Das andere Hauptproblem ist die Erwärmung. Dies erhöht die Kosten für Kühlsysteme, wenn große Batteriepakete mit Tausenden von Batterien verwendet werden, wie im Fall von Elektrofahrzeugen. Heiße Batterien erhöhen das Risiko eines thermischen Durchgehens.