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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Künstliche Alterung von Lithium-Metall Primärzellen


Autor: Gast (Gast)
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Nabend zusammen
Ich hätte ein paar Fragen zur Alterung von Lithium-Metall (im Speziellen 
Li-SOCL2)Primärzellen. Die von mir verwendeten Primärzellen haben haben 
Kapazitäten im Bereich von 120Ah (Versorgung eines GSM Moduls über 
einige Jahre):

Allgemein kann die Alterung einer Batterie ja über ihren 
Innenwiederstand ermittelt werden. Bei Li-Primärzellen hat man aber das 
Problem, dass der Innenwiderstand über die meiste Zeit der Betriebsdauer 
konstant bleibt und dann rapide abfällt. Wie kann man nun eine 
Li-Primärzelle zuverlässig altern lassen?

Da hatte ich nun zwei Ideen:
1. Alterung über erhöhung der Temperatur nach der Arhenius Gleichung => 
10°C mehr = halbe Lebensdauer. Leider reicht diese Alterung nicht aus 
(dauert noch zu lange). Müsste man also noch zusätzlich beschleunigen, 
aber wie?

2. Erhöhung des Stromes und somit schnellere Entladung => simulierte 
längere Betriebsdauer. Leider verhält sich dies auch nicht-linear, und 
ich finde keine Gleichung (ggf. auch empirisch ermittelt) die dies 
beschreibt.

Vl. auch diese beide Varianten kombinieren?

Das ganze hat nun noch ein Problem: Beim GSM Modul wird die Batterie 
nicht kontinuierlich, sondern Pulsförmig belastet. Kann ich einfach denn 
Mittelwert der Belastung verwenden um die Batterie erstmal altern zu 
lassen und anschliessend meine Tests in Echtzeit bei der richtigen 
Pulsförmigen Belastung abzufahren? Oder wird die verfälschung des 
Ergebnisses zu dramatisch sein?

Allgemein habe ich auch ein problem mir aus denn Elektrochemischen 
Gleichungen verwertbare Gleichungen für eine künstliche Alterung zu 
ermitteln. Hilfe wäre da echt super.

Vielen Dank schonmal für eure Zeit.

Autor: Gast (Gast)
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Achja, was ich vergessen ahbe dazu zu sagen: Mir geht es nicht um die 
Alterung durch selbstentladung. Sondern die Alterung die durch die 
Pulsförmige Belastung des GSM Modules entsteht

Autor: Gast (Gast)
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niemand eine Idee oder eine Buchempfehlung die sich mit der Simulation 
von Primärzellen beschäftigt?

Autor: ... (Gast)
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Der Hersteller ?

Autor: Hendi (dg3hda) (Gast)
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Hi,

also mich ärgerts auch aber Alterungstests dauern nun mal lange.
Du kannst den Weg 10K-->1/2 Dauer gehen und anfangen (ab einigen 60° 
wäre ich vorsichtig, da wirds auf Dauer schon uncool mit manchen 
Kunststoffen, was die Batteriechemie da sagt weiss ich nicht), korrekt 
mit-beschleunigte Stromentnahme.

Da du die Alterungstests sicher hernehmen willst um eine Betriebsdauer 
zu gewährleisten kannst Du folgenden Weg gehen:

Erstmal (Risikoanalyse!) erklären daß das Design ausgelegt ist für eine 
Lebenszeit von X.

Wenn nach paar Monaten ein beschleunigtes Jahr rum ist, 1 Jahr 
gewährleisten.
Nach nochmal soviel Monaten zwei Jahre gewährleisten.
Nach 12 echten Monaten eines unbeschleunigten Muster prüfen, obs das 1 
Jahr wirklich hält, wenn nicht, doch wieder runterstufen.
Nach 24 echten unbeschleunigten Monaten prüfen ob der beschleunigte Test 
dich angelogen hat und abhängig davon weiter 2 Jahre gewährleisten oder 
zurückrudern.
Und so weiter, und so fort.

Damit solltest du erstmal argumentieren können. Du kannst auch mal den 
Batteriehersteller fragen, was er dazu meint. Vielleicht gewährleistet 
er ja selber oder hat Kunden die auch GSM-Dauerversorgung machen?

Gruß,

"Prüfbär" Hendi

Autor: Gast (Gast)
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Hmmm, aber es gibt doch Modelle die das ganze auch in akzeptablen Maße 
simulieren (+- 5% genauigkeit in der Vorhersage)? (Rakhmatov&Vrundula 
oder Panigrahi) Nur sind diese Modelle für meine Anwendung von der 
Rechenleistung zu anspruchsvoll und die Zeit sich darin einzuarbeiten 
etwas zu kurz.

Es handelt sich nicht um einen Hersteller, sondern um mehrere. Bsw. Xeno 
Energy, Tadiran, Saft etc.

Wäre es denn möglich die Batterie bsw. bei 65°C in der Simulation um ein 
halbes Jahr altern zu lassen und dann die Temp. wieder auf 25°C 
runterzufahren um die Perfomance zu testen? Hat sie dann genausoviel 
Energie verbraucht wie utner normaltemperatur? Oder gilt die Sache, mit 
10k mehr für halbe Lebensdauer, nur wenn die Temp. über die ganze 
Lebensdauer auf diesem Wert ist?

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Halbierung der Lebensdauer bei 10 Grad höherer Temperatur ist nur 
ein grober Erfahrungswert. Je nach Bauteil, kann die 
Temperaturabhängigket auch anders sein.  Wenn überhaupt, ist das für die 
Batterien nur im Bereich höherer Temperaturen verifiziert, unter 
Raumtemperatur dauert es einfach zu lange und dann sind ja auch noch 
statistische Schwankungen drin.

Eine Berechnung der Lebensdauer, wird also nicht besonders genau sein 5% 
ungenauigkeit sind da völlig unrealistisch. Gerade wenn man die 
Temperatur deultich erhöhen muß um ein kurze Zeit zu bekommen kann man 
auch schon mal um den Faktor 2 bis 10 daneben liegen. Da kann man auch 
nicht viel machen, außer wirklich die 30 Jahre oder so warten. Das 
Problem ist halt das sich nicht alle Effekte gleichmäßig mit höherer 
Temperatur beschleunigen. Im bereich nahe der späteren Einsatztemperatur 
kann man da ab prinzipbedingt kaum nachmessen, sondern muß extrapolieren 
und hat daher größere Unsicherheiten.


Man könnte die Zelle auch zwischen durch abkühlen um die eigenschalten 
zu messen. Ganz auszuschließen sind dabei aber veränderungen auch nicht.

Autor: Arc Net (arc)
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Gast schrieb:
> Hmmm, aber es gibt doch Modelle die das ganze auch in akzeptablen Maße
> simulieren (+- 5% genauigkeit in der Vorhersage)? (Rakhmatov&Vrundula
> oder Panigrahi) Nur sind diese Modelle für meine Anwendung von der
> Rechenleistung zu anspruchsvoll und die Zeit sich darin einzuarbeiten
> etwas zu kurz.
>
> Es handelt sich nicht um einen Hersteller, sondern um mehrere. Bsw. Xeno
> Energy, Tadiran, Saft etc.
>
> Wäre es denn möglich die Batterie bsw. bei 65°C in der Simulation um ein
> halbes Jahr altern zu lassen und dann die Temp. wieder auf 25°C
> runterzufahren um die Perfomance zu testen? Hat sie dann genausoviel
> Energie verbraucht wie utner normaltemperatur? Oder gilt die Sache, mit
> 10k mehr für halbe Lebensdauer, nur wenn die Temp. über die ganze
> Lebensdauer auf diesem Wert ist?

Es gibt von Tadiran ein Dokument in dem etliche typische 
Entladungskurven und einige Daumenregeln aufgeführt sind u.a. 
Batterie-Ausfall-Erkennung (Innenwiderstand), Kapazität vs 
Pulstastverhältnis, Kapazität vs. Temperatur etc. aber auch Hinweise wie 
man das Langzeitverhalten simulieren bzw. messen kann (Mikrokalorimeter 
und Extrapolation)
http://www.tadiran-batterie.de/download/de/LBR06Deu.pdf
Ansonsten würde ich mit dem Hersteller sprechen u.U. sind dort 
entsprechende Daten von ähnlichen Applikationen vorhanden.

p.s. Depassivierung der Batterie nicht vergessen, falls die Batterie nur 
als Backup dient d.h. lange Zeit kein Strom fließt

p.p.s. würde bei solchen Batterien, zumindest wenn man keine großen 
Überraschungen erleben will, nur welche von Tadiran, Saft oder 
Electrochem einsetzen.

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn man sicher sein will, besser 2 Batterien verschiedener Hersteller. 
Einige Fehler kommen halt doch erst nach ein paar Jahren raus.

Autor: Gast (Gast)
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Das mit denn 5% Genauigkeit hat man nicht rein durch die Alterung bei 
erhöhter Temperatur. Sondern durch Modelle die denn recovery-effect und 
denn rate-capacity effekt mit einbeziehen (meistens auch denn 
Spannungseinbruch am beginn der inbetriebnahme). Aber das sind eben 
meist virtuelle Simulationen. Ich möchte aber an der Hardware 
simulieren.

Die Methoden im Tadiran pdf beziehen sich rein auf Alterung durch 
Selbstentladung. Nicht die Alterung durch Pulsförmige Belastung.

Das die Effekte nicht linear zur Temperatur verlaufen ist klar. Aber sie 
folgen ja auch den Gesetzen der Physik. Nur zu eben dieser Physik finde 
ich kein Buch das sich mit dem Thema im Sinne der Simulation 
beschäftigt.
In Büchern wie "Handbook of Batterys" werden diese Effekte zwar 
beschrieben...aber leider weis ich von aussen ja net wie groß der 
Abstand zwischen denn Elektroden ist :( Bzw. welche Salze noch im 
Elektrolyt gelöst sind....

Ich glaube mir bleibt nichts anderes über als die Möglichkeit über Temp. 
zu nehmen und parallel eine nicht erhitzte daneben zu packen und zu 
vergleichen.

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