Geschichte der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs Folge 5

Die Zukunft der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs

Es ist schon ein wenig Zeit vergangen, seit ich den letzten Artikel geschrieben habe. Dies ist der letzte Teil der Serie mit dem Titel "Die Zukunft der Li-Ionen-Batterieschutz-ICs". Hier spreche ich über die Trends der neuesten Schutz-ICs, zukünftige Funktionen und Leistungen sowie die idealen Schutzschaltungen für Post-Li-Ionen-Batterien.

Unveränderte Gefahr bei Li-Ionen-Batterien und Änderungen bei den Schutzschaltungen

30 Jahre sind vergangen seit Li-Ionen-Batterien auf dem Markt erschienen sind, aber die Unfälle mit diesen Batterien reißen bis heute nicht ab.

Im Mai 2023 geriet eine Batterie von einem E-Bike in Brand, was in den Nachrichten breitgetreten wurde. Die Ursache dieses Unfalls schien in der Verwendung eines nicht originalen Akkus zu liegen. Bei der Verwendung solcher Batterien ist Vorsicht geboten, da einige von ihnen von schlechter Qualität sind. Außerdem wurde im August 2023 ein Unfall gemeldet, bei dem ein Ladegerät für drahtlose Kopfhörer im Zug in Brand geriet. Dies wurde dadurch verursacht, dass die verbaute Batterie gequetscht wurde, als der Fahrgast den Sitz verstellte.

Obwohl die Batteriehersteller Quetschtests durchführen, kommen immer wieder Batteriezellen auf den Markt, die durch Quetschen in Brand geraten, wie dieser Unfall zeigt. Die gesetzlichen Bestimmungen zur Batteriesicherheit in Japan haben sich seit der Überarbeitung des Gesetzes über elektrische Geräte und Materialsicherheit im Jahr 2008 kaum geändert. Auf internationaler Ebene hingegen beginnen sich die Sicherheitsvorschriften zu ändern; die Vorschriften für Batterien für Haushaltsgeräte werden strenger, wie aktualisierte Versionen der IEC-Sicherheitsvorschriften zeigen.

Welche Veränderungen gibt es dann bei den Schutzschaltungen?

Ein Blick auf die Trends bei den Schutzschaltungen der letzten 10 Jahre zeigt, dass immer mehr Produkte zwei Schutz-ICs verwenden. Während Akkus in Laptops zu Beginn der Einführung von Li-Ionen-Akkus ein Hauptschutz-IC und eine zweites Schutz-IC verwendeten, der nur eine Überladungsschutzfunktion hatte, wurde in Mobiltelefonen lange Zeit ein einzelner Schutz-IC verwendet. Die großen Smartphone-Hersteller begannen jedoch, einen doppelten Schutz mit zwei Schutz-ICs zu verwenden, um die Sicherheit zu erhöhen und andere Hersteller folgten diesem Trend. Heute ist es durchaus üblich, zwei Schutz-ICs in einem Smartphone zu verwenden. Um die Sicherheit zu erhöhen, verwenden einige Smartphone-Akkus außerdem Schutz-ICs mit Temperaturschutz, die in der Ära der Klapphandys nicht verwendet wurden.

Aussicht auf die Funktionen und Leistung von Schutz-ICs für Lithium-Ionen-Batterien 

Wie werden sich Funktionen und Leistung von Schutz-ICs in einem Jahrzehnt verändern?

Um ehrlich zu sein, sind die heutigen Schutz-ICs hoch entwickelt. Was die Funktionen betrifft, so glaube ich nicht, dass es große Veränderungen wie zusätzliche Funktionen geben wird. Die drei wichtigsten Parameter für die Batterieüberwachung sind Spannung, Strom und Temperatur. Zusätzlich zu diesen drei Hauptüberwachungsparametern enthalten Schutz-ICs weitere Funktionen. Unsere Aufgabe als Anbieter von Schutz-ICs ist es, diese Funktionen effizient zu kombinieren.

Wie sieht es andererseits mit der Leistung aus? Ich denke, dass z. B. der Überladungsschutz und der Überstromschutz genauer werden. Der Tag könnte bald kommen, an dem Verbraucherprodukte eine Überladeschutzgenauigkeit von ±10 mV oder weniger als Standard erfordern, was bei Automobilprodukten bereits erreicht ist, um eine Sicherheitsmarge zu gewährleisten. Da außerdem immer mehr Li-Ionen-Batterien mit kleiner Kapazität verwendet werden und die Verbreitung von tragbaren Geräten zunimmt, ist ein niedriger Stromverbrauch ein weiteres Schlüsselwort. Es ist möglich, dass neue Produkte auf den Markt kommen, die einen geringeren Stromverbrauch als heute aufweisen.

Werden zukünftige Li-Ionen-Batterien, einschließlich Feststoffbatterien, Schutzschaltungen benötigen?

Bislang habe ich über Schutz-ICs für so genannte Li-Ionen-Batterien gesprochen. Lassen Sie mich abschließend über zukünftige Li-Ionen-Batterien nachdenken. Die Entwicklung von Li-Ionen-Batterien schreitet jeden Tag voran. Die am meisten erwartete Li-Ionen-Batterie der Zukunft ist die Feststoffbatterie. Wie sehen die Schutzschaltungen dann aus? Zunächst einmal ist festzustellen, dass sich an der Schutzfunktion herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien nichts Wesentliches ändern wird.

Verschiedentlich wird behauptet, dass Feststoffbatterien über einen flammensicheren Festelektrolyten verfügen und somit eine hohe Sicherheit bieten. Ich habe jedoch noch nie gehört, dass jemand auf die Frage, ob Schutzschaltungen für Feststoffbatterien unnötig sind, mit Ja antwortet. Das Risiko eines internen Kurzschlusses bleibt bestehen, auch wenn der flüssige Elektrolyt durch einen festen Elektrolyten ersetzt wird, da man annimmt, dass Dendriten* bei Überladung wachsen. Außerdem können sie sich bei Überentladung verschlechtern und die Gefahr der Wärmeentwicklung oder des Durchbrennens der Batteriezellen oder der Schutzschaltungen bei Überstrom (z. B. Kurzschluss) nicht ausräumen.
*Dendriten: nadelförmige Ablagerungen von Lithiummetallkristallen. Siehe Folge 1 für weitere Einzelheiten.

Obwohl Feststoffbatterien einen größeren Betriebstemperaturbereich haben als Lithium-Ionen-Batterien in flüssigem Zustand, behaupten einige, dass auch sie einen Temperaturschutz benötigen. Die eingestellte Temperatur unterscheidet sich jedoch von der von Flüssig-Ionen-Batterien und sogar von Feststoffbatterien je nach den verwendeten Materialien.
Obwohl sich die Spezifikationen der einzelnen Funktionen geringfügig ändern können, ist die grundlegende Art und Weise der Verwendung von Batterieschutz-ICs mit den aktuellen Li-Ionen-Batterieschutz-ICs fast identisch.

Verschiedene zukünftige Li-Ionen-Batterien mit Ausnahme von Festkörperbatterien befinden sich in der Entwicklung: z. B. Natrium-Ionen-Batterien, Kalium-Ionen-Batterien, Magnesium-Sekundärbatterien, Metall-Luft-Batterien, usw. Mit dem Aufkommen der Li-Ionen-Batterien hat sich das Konzept einer Schutzschaltung in einem Batteriesatz durchgesetzt. Dieser Gedanke wird auch von zukünftigen Batterien übernommen werden, die keine reinen Festkörperbatterien sind. Wenn es geringfügige Bedenken hinsichtlich der Sicherheit der Batterie gibt, werden Schutzschaltungen sicherlich in Kombination mit Sicherheitsmaßnahmen der Batterie selbst verwendet werden.

Ausgehend von diesen Überlegungen werden weder Schutzschaltungen noch so genannte Schutz-ICs in Zukunft aussterben. Sekundärbatterien können je nach Verwendung und Bedingungen gefährlich sein, so dass nicht nur Sicherheitsmaßnahmen an den Batteriezellen, sondern auch elektrische Maßnahmen durch Schaltkreise unerlässlich sind, um sie sicher zu verwenden. Schutz-ICs und Sekundärbatterien haben eine starke Verbindung aufgebaut. Ich möchte noch einmal auf die Frage "Werden die Schutz-ICs für Lithium-Ionen-Batterien niemals aussterben?" antworten, die vor Beginn dieser Kolumnenserie gestellt wurde. Ich bin mir sicher, dass die Schutz-ICs so lange existieren werden, wie es Sekundärbatterien gibt.

Schlussfolgerung

Vielen Dank für die Lektüre der fünf Kolumnen über Schutz-ICs über Lithium-Ionen-Batterien. Wir werden unsere Schutz-ICs weiterentwickeln und sind sicher, dass wir der richtige Ansprechpartner in diesem Umfeld sind und Ihnen sicherlich helfen können. Sie können uns gerne Fragen zum Thema Batterieschutz stellen.

26. März 2024

Akihiko Fujiwara beschäftigt sich seit den 1990er Jahren, den Anfängen der sekundären Li-Ionen-Batterien, mit der Produktplanung und dem Design unserer Li-Ionen-Batterieschutz-ICs, was ihn in der Branche bekannt gemacht hat. Als "Experte für Schutz-ICs" widmet er sich nun dem Marketing und der Planung und gibt den Weg vor, den wir bei Schutz-ICs einschlagen sollten, indem er Informationen über die neuesten Trends bei Batterien und Schutz-ICs weltweit sammelt.


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