Was sind die Hauptbestandteile von Lithium-Ionen-Batteriematerialien?

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, die jeweils eine bestimmte Rolle für die Funktion der Batterie spielen. Zu den Hauptbestandteilen gehören:

Kathode:

Aktives Material Die Kathode enthält typischerweise ein Lithiummetalloxid, wie etwa lithiumkobaltoxid (LiCoO2), lithiummanganoxid (LiMn2O4), lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder andere Lithiumübergangsmetalloxide. Dieses Material unterliegt während der Lade- und Entladezyklen einer reversiblen Lithium-Ionen-Interkalation und -Deinterkalation.

Leitfähige Zusätze Kohlenstoffbasierte Materialien wie Ruß oder Graphit werden der Kathode zugesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.

Bindemittel Bindemittel werden verwendet, um das aktive Material und die leitfähigen Zusätze in der Kathodenstruktur zusammenzuhalten.

Anode:

Aktives Material Die Anode besteht typischerweise aus einem Material, das Lithiumionen einlagern kann, beispielsweise Graphit (Kohlenstoff). In einigen fortschrittlichen Batterien wird Silizium auch als Anodenmaterial untersucht.

Leitfähige Zusätze Ähnlich wie die Kathode enthält die Anode Materialien auf Kohlenstoffbasis, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.

Bindemittel Bindemittel werden verwendet, um das aktive Material und die leitfähigen Zusätze in der Anodenstruktur zusammenzuhalten.

Elektrolyt:

Lithiumsalz Der Elektrolyt enthält ein Lithiumsalz wie Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) oder andere. Das Lithiumsalz zerfällt in Lithiumionen, die sich beim Laden und Entladen zwischen Anode und Kathode bewegen.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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Separator:

Polymerseparator Ein poröser Polymerseparator wird zwischen Kathode und Anode platziert, um direkten Kontakt zwischen ihnen zu verhindern und gleichzeitig den Durchgang von Lithiumionen zu ermöglichen. Der Separator besteht typischerweise aus Materialien wie Polyethylen oder Polypropylen.

Aktuelle Sammler:

Kathodenstromkollektor Der Kathodenstromkollektor besteht normalerweise aus Aluminium und sammelt während der Entladung Elektronen von der Kathode.

Diese Komponenten arbeiten zusammen, um die Bewegung von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode während des Ladens und Entladens zu erleichtern, sodass die Lithium-Ionen-Batterie elektrische Energie speichern und abgeben kann. Das richtige Design und die Optimierung dieser Komponenten sind entscheidend für das Erreichen der gewünschten Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Batterien.

Kathodenmaterial auf Zinnbasis

Materialien auf Zinnbasis werden tatsächlich als Kathoden in bestimmten Arten von Lithium-Ionen-Batterien verwendet, insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien mit alternativen chemischen Eigenschaften, die über die herkömmlichen Lithium-Kobaltoxid-Kathoden (LiCoO2) hinausgehen. Kathoden auf Zinnbasis werden hauptsächlich mit Lithium-Ionen-Batterien in Verbindung gebracht, die Zinnoxidverbindungen verwenden. Hier ein paar Beispiele:

Lithiumzinnoxid (Li4Ti5O12)

Lithiumtitanat mit der chemischen Formel Li4Ti5O12 ist eine Spinellstruktur, die Zinn (Ti) enthält. Lithiumtitanat ist bekannt für seine hervorragende Zyklenlebensdauer, hohe Entladungsfähigkeit und gute Sicherheitseigenschaften. Es wird in Lithium-Ionen-Batterien als Anodenmaterial und nicht als Kathodenmaterial verwendet.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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Zinnoxide (SnO2, SnO, Sn2O3 usw.)

Verschiedene Zinnoxidverbindungen wurden auf ihr Potenzial als Kathodenmaterialien untersucht. Zu den untersuchten Zinnverbindungen gehören Zinndioxid (SnO2), Zinnmonoxid (SnO) und Zinnsesquioxid (Sn2O3). Zinnoxide können während Lade- und Entladezyklen einer Lithiumionen-Interkalation und -Deinterkalation unterliegen.

Kathoden auf Zinnbasis bieten zwar bestimmte Vorteile, stehen aber auch vor Herausforderungen wie der Volumenausdehnung während des Ladevorgangs, die zu mechanischer Belastung führen und die Gesamtleistung und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen kann. Forscher arbeiten aktiv daran, diese Herausforderungen anzugehen und die Eigenschaften von Kathodenmaterialien auf Zinnbasis zu verbessern, um sie wettbewerbsfähiger und praktischer für kommerzielle Lithium-Ionen-Batterieanwendungen zu machen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ein sich schnell entwickelndes Gebiet ist und ständig neue Materialien und Fortschritte erforscht werden, um die Leistung, Sicherheit und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

Nitrid

Während Nitridmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien nicht so häufig verwendet werden wie Oxide oder Sulfide, gibt es einige Untersuchungen und Untersuchungen zum möglichen Einsatz von Nitriden in verschiedenen Batteriekomponenten.

Titannitrid (TiN)

Titannitrid wurde auf seine mögliche Verwendung als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien untersucht. TiN hat eine hohe theoretische Kapazität und kann während des Zyklierens einer Lithium-Ionen-Insertion und -Extraktion unterliegen. Für praktische Anwendungen müssen jedoch Herausforderungen wie Volumenausdehnung und -kontraktion während der Lithiierungs- und Delithiierungszyklen angegangen werden.

Vanadiumnitrid (VN):

Vanadiumnitrid ist ein weiteres Nitridmaterial, das für Anwendungen in Lithium-Ionen-Batterien untersucht wurde, insbesondere als potenzielles Kathodenmaterial. VN weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und hat die Fähigkeit, Lithiumionen zu speichern und freizusetzen, was es zu einem interessanten Kandidaten für bestimmte Batteriechemien macht.

Der Bereich der Batterieforschung ist dynamisch und Wissenschaftler erforschen ständig neue Materialien und Formulierungen, um die Energiedichte, die Lebensdauer und die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Die Verwendung von Nitriden oder anderen neuen Materialien könnte in Zukunft mit fortschreitender Forschung und technologischer Weiterentwicklung an Bedeutung gewinnen.

Legierungen

Als Alternative zu herkömmlichen Graphitanoden sind Legierungsanoden in Lithium-Ionen-Batterien Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Legierungsanoden können im Vergleich zu Graphit eine höhere Energiedichte bieten und ermöglichen so eine größere Lithiumspeicherkapazität. Hier sind einige Beispiele für Legierungsanoden, die für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien untersucht wurden:

Anoden aus Silizium (Si).

Silizium wurde aufgrund seiner hohen theoretischen Kapazität (ca. 4200 mAh/g), die viel höher ist als die von Graphit, ausführlich als Anodenmaterial untersucht. Bei der Lithiierung und Delithiierung erfährt Silizium eine erhebliche Volumenänderung, die zu mechanischer Belastung und Elektrodenpulverisierung führt. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden verschiedene Strategien wie Nanoskalierung, Nanostrukturierung und die Verwendung von Silizium in Verbundwerkstoffen untersucht.

Zinn (Sn)-Anoden

Zinn ist ein weiteres Material, das für den Einsatz als Anode in Lithium-Ionen-Batterien untersucht wurde. Ähnlich wie Silizium erfährt auch Zinn während der Legierungs- und Entlegierungsprozesse von Lithium erhebliche Volumenänderungen. Das Legieren von Zinn mit anderen Elementen oder die Einarbeitung in Verbundwerkstoffe kann dabei helfen, Probleme mit der Volumenexpansion zu lösen.

Antimon (Sb)-Anoden

Antimon wurde als Anodenmaterial mit einer höheren theoretischen Kapazität als Graphit untersucht. In Antimonelektroden kann es zu Legieren und Entlegieren mit Lithiumionen kommen. Für praktische Anwendungen müssen Herausforderungen wie Kapazitätsschwund und Volumenänderungen angegangen werden.

Während Legierungsanoden hohe theoretische Kapazitäten bieten, bleibt die Bewältigung von Herausforderungen im Zusammenhang mit Volumenänderungen, Zyklenstabilität und Elektrodenarchitektur ein Schwerpunkt der laufenden Forschung. Darüber hinaus müssen bei der Wahl der Legierung und dem Design der Anode die allgemeinen Leistungs-, Kosten- und Sicherheitsaspekte von Lithium-Ionen-Batterien berücksichtigt werden.