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Vorteile von Primärbatterien
Sep 19, 2018

Schätzen Sie die Bedeutung nicht wiederaufladbarer (Primär-) Batterien.

 

Primärbatterien, die auch als nicht wiederaufladbare Batterien bekannt sind, neigen dazu, durch die Medien Aufmerksamkeit, die sekundäre oder wiederaufladbare Batterien erhalten, überschattet zu werden. Ein starker Fokus auf ein Produkt gegenüber einem anderen mag die Leute davon überzeugen, dass Primärbatterien eine alte Technologie auf dem Weg nach draußen sind. Nicht so.

 

Vorwahlen spielen eine wichtige Rolle, besonders wenn das Laden unpraktisch oder unmöglich ist, wie bei militärischen Kämpfen, Rettungseinsätzen und Waldbranddiensten. Die unter IEC 60086 geregelten Primärbatterien warten auch Herzschrittmacher, Reifendruckmessgeräte in Fahrzeugen, intelligente Messgeräte, intelligente Bohrgeräte im Bergbau, Tier-Tracking, Fernlichtbaken sowie Armbanduhren, Fernbedienungen, elektrische Schlüssel und Kinder. s Spielzeug.

 

Die meisten implantierbaren Schrittmacherbatterien sind Lithium-basiert, ziehen nur 10 - 20 Mikroampere (μA) und dauern 5 - 10 Jahre. Viele Hörgerätebatterien sind auch primär mit einer Kapazität von 70 - 600 mAh, gut für 5 - 14 Tage, bevor ein Ersatz benötigt wird. Die wiederaufladbare Version bietet weniger Kapazität pro Größe und dauert etwa 20 Stunden. Kosteneinsparung ist der große Vorteil.

 

Hohe spezifische Energie, lange Lagerzeiten und sofortige Bereitschaft geben Primärbatterien einen einzigartigen Vorteil gegenüber anderen Energiequellen. Sie können zu abgelegenen Orten getragen werden und sofort verwendet werden, auch nach langer Lagerung; Sie sind auch leicht verfügbar und umweltfreundlich, wenn sie entsorgt werden.

 

Die beliebteste Primärbatterie ist alkalisch. Es hat eine hohe spezifische Energie und ist kostengünstig, umweltfreundlich und dicht, auch wenn es vollständig entladen ist. Alkalische Dose

bis zu 10 Jahren gelagert werden, eine gute Sicherheitsbilanz aufweisen und in einem Flugzeug befördert werden können, ohne den UN-Transport- und anderen Vorschriften zu unterliegen. Das Negative sind niedrige Lastströme, die den Einsatz auf leichte Lasten wie Fernbedienungen, Taschenlampen und tragbare Unterhaltungsgeräte beschränken.

 

Der Umzug in höhere Kapazitäten und eine bessere Ladung führt zu Lithium-Metall-Batterien. Diese haben sehr strenge Richtlinien für den Lufttransport und unterliegen den Gefahrgutvorschriften für Gefahrgut der Klasse 9. (Siehe BU-704a: Versand von Lithium-basierten Batterien mit Luft.) Abbildung 1 vergleicht die spezifische Energie von Bleisäure, NiMH und Li-Ionen als Sekundär-, sowie Alkali- und Lithium-Metall als Primärbatterien.

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Spezifische Energie gibt nur die Kapazität an, die eine Batterie halten kann, und beinhaltet keine Leistungsabgabe, eine Schwäche bei den meisten Primärbatterien. Hersteller von Primärbatterien geben spezifische Energie an; spezifische Macht wird selten veröffentlicht. Während die meisten Sekundärbatterien einen Entladestrom von 1C haben, wird die Kapazität von Primärbatterien für Verbraucher mit einem sehr niedrigen Strom von 25 mA gemessen. Zusätzlich können die Batterien von den Nennwerten 1,5 V für Alkali auf 0,8 V entladen werden, bevor sie als vollständig entladen angesehen werden. Dies liefert beeindruckende Ergebnisse auf dem Papier, aber die Ergebnisse sind weniger schmeichelhaft, wenn Lasten angewendet werden, die höhere Ströme ziehen.

 

Abbildung 2 vergleicht die Leistung von primären und sekundären Batterien als " Rated " und " Actual " . " Nennwert bezieht sich auf die spezifische Energie beim Entladen bei sehr niedrigem Strom; Tatsächliche Entladungen bei 1C, so wie die meisten Sekundärbatterien eingestuft sind. Die Abbildung zeigt deutlich, dass das primäre Alkaline mit einer für Unterhaltungsgeräte typischen leichten Belastung gut funktioniert, während die Sekundärbatterien, die durch Bleisäure, NiMH und Li-Ion repräsentiert werden, eine niedrigere Nennkapazität (Rated) aufweisen, aber besser mit einer 1C Entladung geladen sind (Tatsächlich).

 

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Einer der Gründe für eine schlechte Leistung unter Lastbedingungen ist der hohe Innenwiderstand von Primärbatterien, der dazu führt, dass die Spannung zusammenbricht. Widerstand bestimmt, wie gut elektrischer Strom durch ein Material oder Gerät fließt und wird in Ohm ( Ω ) gemessen . Wenn die Batterie bei Entladung entladen wird, erhöht sich der bereits erhöhte Widerstand weiter. Digitalkameras mit Primärbatterien sind Grenzfälle - ein Elektrowerkzeug auf alkalischer Basis wäre unpraktisch. Ein verbrauchter Alkali in einer Digitalkamera lässt oft genug Energie übrig, um die Küchenuhr zwei Jahre lang laufen zu lassen.

 

Tabelle 3 zeigt die Kapazität von Standard-Alkalibatterien mit Lasten, die für typische persönliche Unterhaltungsgeräte oder kleine Taschenlampen verwendet werden.

 

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AA und AAA sind die gebräuchlichsten Zellenformate für Primärbatterien. Bekannt als Penlight-Batterien für Taschenlampen, wurde das AA 1915 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und diente während des Ersten Weltkriegs als Spionagewerkzeug. Das American National Standards Institute standardisierte das Format 1947. Das AAA wurde 1954 entwickelt, um die Größe der Kodak- und Polaroid-Kameras zu verringern und andere tragbare Geräte zu verkleinern. In den 1990er Jahren produzierte ein Ableger der 9V-Batterie die AAAA für Laserpointer, LED-Penlights, Computer-Stylis und Kopfhörerverstärker. (Der 9V verwendet sechs AAAA in Serie.) Tabelle 4 vergleicht herkömmliche Primärbatterien. (Siehe BU-301: Ein Blick auf alte und neue Batterieverpackungen)

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Die AA-Zelle enthält etwa die doppelte Kapazität des kleineren AAA zu einem ähnlichen Preis. Dies verdoppelt die Energiekosten des AAA gegenüber dem AA. Energiekosten nehmen oft die zweite Stufe vor dem Downsizing. Dies ist der Fall bei Fahrradleuchten, bei denen das AA-Format nur die Lichtstärke leicht erhöhen würde, aber bei gleichen Kosten die doppelte Laufzeit liefern könnte.

 

Um die Kosten zu senken, konsolidieren die Städte häufig ihre Einkäufe, und dazu gehört auch die Massenakquisition von Alkalibatterien. Eine Stadt in der Größe von Vancouver, Kanada, mit etwa 600.000 Einwohnern würde etwa 33.000 AA-, 16.000 AAA-, 4.500 C- und 5.600 D-Size-Alkalizellen für den allgemeinen Gebrauch kaufen.

 

Die Verkaufspreise der alkalischen AA variieren, ebenso die Leistung. Exponent Inc., ein US-amerikanisches Ingenieurbüro, überprüfte die Kapazität von acht Marken-Alkaline-Batterien in AA-Gehäusen und entdeckte eine Diskrepanz von 800 Prozent zwischen den höchsten und den niedrigsten Werten. Der Teststandard basierte auf dem Zählen der Aufnahmen einer Digitalkamera, bis die Batterien leer waren, ein Test, der Kapazität und Ladefähigkeit einer Batterie berücksichtigte.

 

Abbildung 5 zeigt die Anzahl der Aufnahmen, die eine Digitalkamera mit Entladungsimpulsen von 1,3 W mit Alkali, NiMH und Lithium Li-FeS2 im AA-Format machen kann. (Bei zwei Zellen in Reihe bei 3 V zieht 1,3 W 433 mA.) Der klare Gewinner war Li-FeS2 (Lithium AA) mit 690 Impulsen; das zweite war NiMH mit 520 Impulsen und das entfernte Drittel war Standard-Alkali und erzeugte nur 85 Impulse. Der Innenwiderstand und nicht die Kapazität bestimmt die Schussanzahl.

 

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Die Beziehung zwischen Batteriekapazität und Stromabgabe wird am besten mit dem Ragone-Diagramm veranschaulicht. Benannt nach David V. Ragone, bewertet das Ragone-Diagramm einen Energiespeicher auf Energie und Leistung. Energy in Ah stellt die verfügbare Speicherkapazität einer Batterie dar, die für die Laufzeit verantwortlich ist; Leistung in Watt regelt den Laststrom.

 

Abbildung 6 zeigt das Ragone-Diagramm mit der 1,3-Watt-Last einer Digitalkamera (gekennzeichnet durch den roten Pfeil und die gepunktete Linie) unter Verwendung von Lithium (Li-FeS2), NiMH und Alkali. Die horizontale Achse zeigt Energie in Wh und die vertikale Achse liefert Leistung in Watt. Die Skala ist logarithmisch, um eine große Auswahl an Batteriegrößen zu ermöglichen.

 

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Die Leistung der Batteriechemie variiert je nach Position der Ragone-Linie. NiMH liefert die höchste Leistung und funktioniert gut bei hohen Lasten, aber es hat die niedrigste spezifische Energie. Lithium Li-FeS2 hat die höchste spezifische Energie und genügt moderaten Beladungsbedingungen, und alkalisch bietet eine wirtschaftliche Lösung für niedrigere Stromabflüsse.

 

 

Zusammenfassung

Primärbatterien sind praktisch für Anwendungen, die gelegentlich Strom verbrauchen, aber sie können im Dauerbetrieb teuer werden. Preis ist ein weiteres Problem, wenn die Packs nach jeder Mission ersetzt werden, unabhängig von der Nutzungsdauer. Das Verwerfen von teilweise verbrauchten Batterien ist üblich, insbesondere in Flottenanwendungen und kritischen Missionen, da es einfach ist, bei jeder Aufgabe einfach frische Pakete auszugeben, anstatt die Verwendung abzuschätzen. Auf einer Batteriekonferenz sagte ein US-Armeegeneral, dass die Hälfte der weggeworfenen Batterien immer noch 50 Prozent Energie übrig habe.

 

Der Ladezustand von Primärbatterien kann durch Messung des Innenwiderstandes geschätzt werden. Jeder Batterietyp benötigt eine eigene Nachschlagetabelle, da sich die Widerstandseigenschaften unterscheiden können. Eine genauere Methode ist die Coulomb-Zählung, die ausströmende Energie beobachtet, aber dies erfordert eine teurere Schaltung und wird selten durchgeführt. Dies erfordert eine teurere Schaltung und wird selten durchgeführt.

 

 

Referenz

Vortrag von Dan Durbin, Unterstützung für Anwendungen bei Energizer, Medizinprodukte und Herstellung (MD & M) West, Anaheim, CA, 15. Februar 2012

 

Vortrag von Quinn Horn, Ph.D., PE Exponent, Inc. Medizinprodukte und Herstellung (MD & M) West, Anaheim, CA, 15. Februar 2012

 

Zuletzt aktualisiert am 09.04.2017