Die Faktoren verstehen, die hinter der nachlassenden Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien stehen

Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres leichten Designs und ihrer Wiederaufladbarkeit für einen Wandel in der Welt der Elektronik und Elektrofahrzeuge gesorgt. Allerdings neigen sie wie alle Akkus dazu, dass ihre Kapazität mit der Zeit und bei wiederholtem Gebrauch nachlässt. Unter Kapazitätsschwund versteht man die Abnahme der Fähigkeit einer Batterie, die Ladung zu halten. In diesem Artikel werden wir die Gründe für dieses Phänomen des Kapazitätsschwunds bei Lithium-Ionen-Batterien untersuchen und die beteiligten Mechanismen beleuchten.

Anoden- und Kathodenmaterialien

Die für Anode und Kathode in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien spielen eine Rolle bei der Bestimmung ihrer Leistung und Langlebigkeit. Diese Komponenten bestehen aus Materialien, die die Bewegung von Lithiumionen während Lade-Entlade-Zyklen erleichtern.

Anodenmaterial;

Traditionell wird Graphit aufgrund seiner Fähigkeit, Lithiumionen zu interkalieren, als Material für die Herstellung von Anoden für Lithium-Ionen-Batterien bevorzugt. Dennoch sind Graphitanoden aufgrund dieses Vorteils nicht völlig immun gegen Kapazitätsverlust. Mehrere Faktoren tragen zum Nachlassen der Kapazität der Anode bei;

Wachstum der Festelektrolyt-Interphase (SEI); Wenn Lithiumionen im Laufe der Zeit wiederholt eingefügt und extrahiert werden, bildet sich auf der Oberfläche der Anode eine Schicht namens Festelektrolyt-Interphase (SEI). Während diese Schicht für die Stabilität der Batterie von entscheidender Bedeutung ist, kann ihr kontinuierliches Wachstum den Fluss von Lithiumionen behindern, was zu einer verringerten Kapazität führt.

Verlust von Aktivmaterial; Ein weiterer Grund für den Kapazitätsverlust in der Anode ist der Verlust an aktivem Material. Während die Batterie Lade- und Entladezyklen durchläuft, können sich winzige Partikel von der Graphitanode lösen, was zu einer Verringerung ihrer Kapazität führt.

Kathodenmaterialien;

Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien bestehen typischerweise aus Materialien wie lithiumkobaltoxid (LiCoO2), lithiummanganoxid (LiMn2O4), lithiumeisenphosphat (LiFePO4) und anderen. Jedes Kathodenmaterial weist Eigenschaften auf, die durch Mechanismen zum Kapazitätsschwund beitragen können;

Übergangsmetallauflösung; Kathodenmaterialien enthalten häufig Übergangsmetalle wie Kobalt, Mangan und Eisen. Während der Lade- und Entladezyklen können sich diese Metalle im Elektrolyten der Batterie auflösen. Das Vorhandensein gelöster Metallionen kann dann die Batterieleistung beeinträchtigen und zu einem Kapazitätsverlust führen.

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

Weiterlesen

Strukturelle Veränderungen; Einige in Kathoden verwendete Materialien können sich in ihrer Struktur verändern, wenn die Batterie Lade- und Entladezyklen durchläuft. Dies kann mit der Zeit zu einer Verringerung der Kapazität des Akkus führen. Ein Beispiel hierfür sind Lithium-Kobaltoxid-Kathoden.

Stromabnehmer;

Der Stromkollektor spielt in Lithium-Ionen-Batterien eine Rolle, indem er die Materialien in der Anode und Kathode mit dem externen Stromkreis verbindet. Obwohl Stromabnehmer typischerweise aus Materialien wie Kupfer oder Aluminium bestehen, können sie dennoch zu Kapazitätsverlusten beitragen.

Korrosion des Stromabnehmers; Im Laufe der Zeit kann der Stromkollektor aufgrund der Einwirkung des Elektrolyten und der elektrochemischen Prozesse, die während der Lade- und Entladezyklen ablaufen, korrodieren. Diese Korrosion schwächt die Verbindung zwischen den Materialien und dem externen Stromkreis, was zu einem erhöhten Widerstand und Kapazitätsverlust führt.

Delaminierung; Von Delaminierung spricht man, wenn es zu einer Trennung zwischen dem Kollektor und dem aktiven Material innerhalb einer Elektrode kommt. Diese Trennung kann aufgrund von Belastungen während des Batteriebetriebs auftreten. Wenn es zu einer Delaminierung kommt, werden der Elektronenfluss und die Bewegung von Lithiumionen gestört, was zu einer verringerten Batteriekapazität und Gesamtleistung führt.

Lade- und Entladefaktoren

Für die Funktion einer Lithium-Ionen-Batterie spielen die Lade- und Entladevorgänge eine Rolle. Mehrere mit diesen Prozessen verbundene Faktoren können zum Kapazitätsrückgang beitragen;

Tiefentladung; Wenn Lithium-Ionen-Akkus einer Ladung oder Entladung ausgesetzt werden, kann sich die Kapazität schneller verschlechtern. Überladung kann zur Bildung von Lithiummetall auf der Anode führen, was zu Dendritenwachstum und Kurzschlüssen führt, die sowohl die Kapazität als auch die Sicherheit beeinträchtigen. Andererseits kann eine Tiefentladung zum Zerfall des Kathodenmaterials führen.

Hohe Betriebstemperaturen; Erhöhte Temperaturen während des Betriebs können die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus erheblich beeinträchtigen. Höhere Temperaturen fördern das Wachstum einer Schicht namens Solid Electrolyte Interphase (SEI), die den Fluss von Lithiumionen behindert. Darüber hinaus beschleunigt es die Auflösung von Übergangsmetallen in der Kathode.

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

Weiterlesen

Fahrradtiefe; Das Ausmaß, in dem eine Batterie zyklisch betrieben wird, d. h. wie viel Ladung während jedes Zyklus entnommen und entladen wird, beeinflusst den Kapazitätsabbau. Bei Batterien, die Zyklen ausgesetzt sind, kommt es im Vergleich zu solchen, die in einem engeren Bereich der Entladetiefe zyklisiert werden, tendenziell zu einem schnellen Kapazitätsverlust.

Ladestrom; Die Geschwindigkeit, mit der ein Lithium-Ionen-Akku geladen wird, kann sich auf seine Langzeitkapazität auswirken. Schnelles Laden erzeugt Hitze und Spannung im Akku und beschleunigt dadurch den Kapazitätsabbau. Langsamere und kontrollierte Laderaten wirken sich im Allgemeinen auf die Langzeitkapazität einer Batterie aus.

Entladungsrate; Die Geschwindigkeit, mit der ein Akku entladen wird, kann sich auf seine Kapazität auswirken. Hohe Entladeraten, wie sie zum Beschleunigen in Fahrzeugen benötigt werden, können zu einer Leistungssteigerung führen. Durch die Steuerung der Abflussraten und den Einsatz von Puffersystemen kann dieser Effekt abgemildert werden.

Ruhedauer; Das Einlegen von Ruhezeiten zwischen den Lade- und Entladezyklen bei Lithium-Ionen-Batterien kann dazu beitragen, den Kapazitätsverlust zu reduzieren. Während dieser Ruhephasen stabilisieren sich die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie, verringern die Ansammlung von SEI (Solid Electrolyte Interphase) und erhöhen ihre Kapazität.

Tiefenentladungszyklus (DoD); Durch die Einhaltung eines Entladetiefenbereichs für Lithium-Ionen-Batterien während ihrer Zyklen kann der Kapazitätsverlust minimiert werden. Batterien, die häufig entladen werden, wie sie beispielsweise in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Energieabgabe erforderlich ist, sind anfälliger für Kapazitätsverluste.

Zyklusfrequenz; Auch die Häufigkeit der Lade- und Entladezyklen spielt beim Kapazitätsverlust eine Rolle. Bei Akkus, die häufigen Zyklen ausgesetzt sind, kommt es im Vergleich zu Akkus, die nur zeitweise verwendet werden, tendenziell zu einem schnellen Kapazitätsverlust.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren im Zusammenhang mit dem Laden und Entladen können Batteriehersteller und Forscher Strategien entwickeln, um die Lebensdauer zu verlängern und die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien aufrechtzuerhalten. Dies wiederum wird die Leistung von Geräten und Systemen verbessern, die auf diesen Energiespeicherlösungen basieren.

Abschluss

Um die Batterietechnologie zu verbessern und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verlängern, ist es wichtig, die Ursachen für den Kapazitätsverlust zu verstehen. Während dieses Phänomen in gewissem Maße bei allen Batterien auftritt, arbeiten Forscher und Ingenieure kontinuierlich an Strategien, um seine Auswirkungen zu minimieren.

Es werden Anstrengungen unternommen, Materialien sowohl für die Anode als auch für die Kathode zu entwickeln, die eine verbesserte Stabilität bieten und gleichzeitig das Wachstum an der Festelektrolytgrenzfläche (SEI) reduzieren. Darüber hinaus zielen Innovationen im Kollektordesign und bei den Materialien darauf ab, Probleme wie Korrosion und Delaminierung zu minimieren. Darüber hinaus tragen Fortschritte bei Batteriemanagementsystemen dazu bei, Probleme wie Überladung, Tiefentladung und Betrieb bei hohen Temperaturen zu verhindern.