Wie erhöht der Lade-/Entladestrom die Batterietemperatur?

Ich weiß bereits, dass das Laden oder Entladen einer Batterie zu einer Erwärmung führt und dass die Erwärmung proportional zum Strom ist. Doch welcher physikalische Vorgang steckt dahinter?

Meine Erklärung auf der Rückseite des Umschlags wäre, dass die Batterie einen Innenwiderstand hat und der Strom diesen Widerstand überwinden muss. Dabei wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Das heißt, die Elektronen prallen auf schlecht leitende Teile der Elektroden und erhitzen das Material.

Aber ist es wirklich so einfach?

Der Innenwiderstand liegt wahrscheinlich im Elektrolyten, also in den chemischen Reaktionen, aber im Wesentlichen, ja.
Ja
@BrianDrummond Ich dachte, der Widerstand liegt an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt und wird teilweise durch Materialabscheidung durch irreversible Reaktionen verursacht.
Ein Teil der Wärme hängt mit den chemischen Reaktionen zusammen, aber ein Großteil davon ist einfach darauf zurückzuführen, dass die Schüttgüter den Fluss von Elektronen und Ionen behindern.
@StephenBosch Sie haben vielleicht Recht, oder eine begrenzte Ionenmobilität zu dieser Schnittstelle kann auch als Teil des Widerstands erscheinen, ich bin mir nicht sicher. Aber ich glaube nicht, dass es die Ablagerung von Isoliermaterial ist (das würde eine Zelle sicherlich schnell töten!), sondern die abnehmende Konzentration aktiver Reagenzien im Elektrolyten, die die Reaktionsgeschwindigkeit begrenzt.

Antworten (1)

Es gibt einen Widerstand im Metall der Platten und Verdrahtungen, der Materialien der aktiven Platten und des Elektrolyten. Die von diesem Widerstand erzeugte Wärme ist proportional zum Quadrat des Stroms .

In Metallen wird der Widerstand dadurch verursacht, dass Elektronen auf Atome „prallen“, wenn sie sich durch den Leiter bewegen, aber in Elektrolyten bewegen sich ganze Moleküle. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten wird stark von der Ionenkonzentration beeinflusst, sodass sein Widerstand zunimmt, wenn die Batterie entladen wird und weniger Ionen in Lösung verbleiben (diese weniger Ionen müssen sich schneller bewegen, um den gleichen Strom zu erzeugen, und haben daher mehr Kollisionen, was als höherer Widerstand angesehen wird ).

Auch die beteiligten chemischen Reaktionen können endotherm oder exotherm sein . Dies liegt daran, dass die unterschiedlichen Bindungen zwischen Atomen vor und nach der Reaktion mehr oder weniger Energie erfordern können.

Bei einem NiCad-Akku ist die Ladereaktion endotherm, die Entladereaktion jedoch exotherm. Beim Aufladen saugt es also tatsächlich Wärme aus seiner Umgebung auf und bleibt kühl (bis es voll ist und die Reaktion beendet ist), während es beim Entladen Wärme erzeugt und heißer wird, als Sie vielleicht erwarten. NiMH-Akkus machen das Gegenteil – sie werden beim Laden heiß, kühlen sich aber beim Entladen ab.

Der andere Faktor, der berücksichtigt werden muss, ist die Temperatur. Ein Anstieg um 10 °C kann die Aktivität von Ionen in einem Elektrolyten verdoppeln, was zu einem dramatischen Abfall seines Widerstands führt. Wenn sich die Batterie erwärmt, nimmt die durch den Elektrolytwiderstand erzeugte Wärme ab, wodurch der interne Temperaturanstieg verlangsamt wird. Der reduzierte Spannungsabfall führt jedoch auch zu einer höheren Klemmenspannung, sodass die Last möglicherweise mehr Strom zieht (oder gleich oder weniger, je nachdem, welche Art von Schaltung die Batterie mit Strom versorgt).

Angesichts all dieser Faktoren ist es nicht einfach, den Anstieg der Batterietemperatur während des Betriebs genau zu berechnen. Sie können eine Widerstandsmessung erhalten, indem Sie einfach einen Stufenstrom anlegen und den momentanen Spannungsabfall messen, aber dieser Wert variiert je nach Temperatur, Ladezustand und Strom.

Das ist die Art von Antwort, nach der ich gesucht habe.
Wie erhöht der Lade-/Entladestrom die Batterietemperatur?
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