Inside Electric: Die Batterien

Das UR-1-Rennflugzeug ist vollelektrisch. Deshalb verwenden wir – logischerweise – Batterien, um die Energie zu speichern.

Batterien sind heutzutage weit verbreitet. Auf dem Markt sind viele verschiedene Typen erhältlich. Auch sind Gespräche über EVs (Elektrofahrzeuge) für viele von uns zu einem alltäglichen Thema geworden.

Aber Batterien als Energiespeichersystem sind nicht neu und haben bereits eine lange und wirklich faszinierende Geschichte. Früher war es nicht einmal den visionärsten Science-Fiction-Autoren vorbehalten, ein Elektrofahrzeug mit einer Batterie zu betreiben.

Aber wann wurden Batterien erfunden? Wie sehr haben sie sich seither verbessert? Und welchen Batterietyp verwenden wir für unser rein elektrisches Schweizer Rennflugzeug?

Geschichte

Die erste Batterie wurde im Jahr 1799 vom berühmten italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta erfunden. Sein Gerät, eine sogenannte Voltasäule, bestand aus einem Stapel von Kupfer- und Zinkplatten, die durch in Salzlake getränkte Papierscheiben voneinander getrennt waren.

Im Jahr 1836 entwickelte der englische Chemiker John Frederic Daniell nach der Analyse der Voltaschen Säule einen neuen Energiespeicher namens Daniell-Element. Während dies die erste praktische Batterie war, entwickelte der französische Physiker Gaston Planté etwa zwanzig Jahre später die Blei-Säure-Batterie. Bis heute ist dies das Batteriesystem, das für die Stromversorgung eines durchschnittlichen Autos verwendet wird.

Im ersten Jahrzehnt des XNUMX. Jahrhunderts wurden für den Antrieb von Elektrofahrzeugen Nickel-Metallhydrid-Batterien verwendet. Diese Technologie wurde schnell durch die Lithium-Ionen-Batterie ersetzt, die in fast jedem tragbaren Gerät wie Smartphones, aber auch in Rollstühlen oder Autos zu finden ist.

Grundlegende Funktionsweise

Die grundlegende Funktionsweise jeder Batterie bleibt im Wesentlichen gleich: Zwei Elektroden, die durch einen Stromkreis verbunden und die durch einen Elektrolyten getrennt sind.

Im Allgemeinen wird die Energie durch die chemische Reaktion zwischen den Materialien der Elektroden erzeugt. Vereinfacht gesagt, verliert die Anode Elektronen, die durch den Stromkreis zur Kathode fliessen. Diese «Bewegung» löst eine chemische Reaktion aus. Dabei wird die Energie an den Stromkreis abgegeben. Diese Energie kann dann zum Antrieb von z.B. Elektromotoren verwendet werden.

Beliebteste Batterien

Es gibt auf der ganzen Welt viele Arten von Batterien. Jede hat bestimmte Eigenschaften, die gut zu einer bestimmten Anwendung passen.

Blei-Säure-Batterie

Anode	Kathode	Elektrolyt	Wie wird das Kissen verwendet?	Spezifische Energiedichte (Wh/kg)	Lebenszyklus (80 % Entladung)	Hauptgefahr
Blei	Bleidioxid  das Blei	Schwefelsäure	Automobile	30-50	200-300	Verschütten von Säure

Blei-Säure-Batterien sind in der Automobilbranche weit verbreitet. Diese Batterien sind leistungsstark, billig und leicht wiederaufladbar. Aber sie sind schwer und mögen es nicht, wenn sie eine lange Zeit vollständig entladen bleiben.

Nickel-Metallhydrid (NiMH)

Anode	Kathode	Elektrolyt	Wie wird das Kissen verwendet?	Spezifische Energiedichte (Wh/kg)	Lebenszyklus (80 % Entladung)	Hauptgefahr
Metallhydrid	Nickel-Oxyhydroxid  Nickel	Kaliumhydroxid	Gebrauchssgegenstände	60-120	300-500	Niedrig

Die Nickel-Metallhydrid-Batterien sind sehr bekannt. Diese kleinen Batterien setzen wir in unsere Haushaltsgeräte wie Kameras oder TV-Fernbedienungen ein. Der Unterschied zu den Alkalibatterien besteht darin, dass die NiMH-Batterien wiederaufladbar und nicht sehr gefährlich sind.

Nickel-Metallhydrid-Batterien wurden auch im Automobilsektor verwendet. Viele Elektrofahrzeuge wurden mit dieser Art von Energiespeichern gebaut. Die Lithium-Ionen-Akkus haben die NiMH-Akkus jedoch bald ersetzt, da sie eine bessere Energiedichte pro Gewicht und Volumen aufweisen.

Lithium-Polymer (LiPo)

Anode	Kathode	Elektrolyt	Wie wird das Kissen verwendet?	Spezifische Energiedichte (Wh/kg)	Lebenszyklus (80 % Entladung)	Hauptgefahr
Graphite	Lithium-Metall-Oxid	Polymer	Elektromotoren	150-190	1'000-2'000	Feuer und Explosion

Im Gegensatz zu den meisten auf dem Markt befindlichen Batterien besteht diese aus einem festen Polymerelektrolyt. Diese Art von Elektrolyt wurde mit dem Zweck untersucht, die Bildung von Dendriten zu verhindern. Ein Problem, das bei Lithium-Ionen-Batterien auftrat.

Die Vorteile dieser Struktur lagen in der Möglichkeit, eine langlebige, widerstandsfähige und leichte Batterie mit hoher Energiedichte zu erhalten. Ausserdem leiden sie nicht unter einem Memory-Effekt, wenn sie geladen werden, bevor sie vollständig entladen sind.

Unsere Wahl

Wir bei Pie Aeronefs SA haben uns für Lithium-Polymer-Batterien für unser erstes Schweizer Elektro-Rennflugzeug entschieden. Obwohl diese Art von Batterien bezüglich ihrem Brandrisiko instabiler erscheinen mögen als andere, bieten sie ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Sicherheit.

Details

In unseren UR-1-Batterien besteht die Anode aus Grafit-Material und die Kathode aus Lithium-Kobalt-Oxid. Die Nennspannung unserer Batterien ist 3,7 V. Die typische Kapazität beträgt 5’000 mAh.

Anordnung

Unsere Batterien sind in der Tragfläche unseres Schweizer Elektro-Rennflugzeugs UR-1 angeordnet. Diese Idee wurde durch die Anordnung des Treibstoffs in konventionellen Flugzeugen inspiriert.

Aber es ist auch eine Herausforderung, wenn es um die Batterien geht. Wir müssen nämlich eine ausgeklügelte Struktur schaffen, die ein hohes Gewicht bei angemessener Steifigkeit tragen kann, da ein flexibler Flügel die Batterien beschädigen könnte.

Um jeglichem Brandrisiko vorzubeugen, haben wir ein originelles Brandschutzsystem für die Batterien entwickelt, das durch ein Flüssigkeitskühlsystem ergänzt wird. In einem späteren Artikel werden Sie mehr über diese Funktion erfahren.

Vor- und Nachteile von LiPo-Batterien

Vorteile:

• Doppelt so hohe Energiedichte wie Standardbatterien
• Hohe Leistungsabgabe
• KeinMemory-Effekt ;
• Geringerer Wartungsaufwand als bei anderen Batterien
• Einfachere Entsorgung (kein giftiges Cadmium)

Nachteile:

• Brandgefahr (ohne entsprechendes Feuerschutzsystem)
• Geringe Ausdauer;
• Teuer
• Zerbrechlich

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass das Brandrisiko und die geringe Ausdauer von Lithium-Ionen-Batterien ein inhärentes Problem dieser Technologie sind, welches bei allen LiPo-Zellen auftritt.

Entdecken Sie unseren Brandschutzsystem in einem nächsten Artikel. Bleiben Sie dran.