Das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien

Die Lithiumionenbatterie verwendet ein Kohlenstoffmaterial als negative Elektrode und eine lithiumhaltige Verbindung als positive Elektrode, und es existiert kein Lithiummetall und nur Lithiumionen. Eine Lithiumionenbatterie ist ein allgemeiner Begriff für eine Batterie, bei der eine Lithiumioneninterkalationsverbindung als positives Elektrodenmaterial verwendet wird. Der Lade- und Entladevorgang einer Lithiumionenbatterie ist ein Vorgang der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen. Bei der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen, gleichzeitiger Insertion und Deinterkalation äquivalenter Elektronen mit Lithiumionen (üblicherweise als Einbettung oder Deinterkalation der positiven Elektrode und Insertion oder Deinterkalation der negativen Elektrode bezeichnet). Während des Ladens und Entladens werden Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode interkaliert / deinterkaliert und eingefügt / deinterkaliert und treffend als "Schaukelstuhlbatterien" bezeichnet.

Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte und eine hohe durchschnittliche Ausgangsspannung. Die Selbstentladung ist gering und beträgt weniger als 10% pro Monat. Keine Memory-Effekte. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -20 ° C und 60 ° C. Hohe Zyklusleistung, schnelles Laden und Entladen, Ladeeffizienz bis zu 100% und Ausgangsleistung. Lange Lebensdauer. Es gibt keine Umweltverschmutzung und es wird eine grüne Batterie genannt.

Wirkmechanismus

Die Lithiumionenbatterie verwendet ein Kohlenstoffmaterial als negative Elektrode und eine lithiumhaltige Verbindung als positive Elektrode, und es existiert kein Lithiummetall und nur Lithiumionen. Eine Lithiumionenbatterie ist ein allgemeiner Begriff für eine Batterie, bei der eine Lithiumioneninterkalationsverbindung als positives Elektrodenmaterial verwendet wird. Der Lade- und Entladevorgang einer Lithiumionenbatterie ist ein Vorgang zum Interkalieren und Deinterkalieren von Lithiumionen. Bei der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen, gleichzeitiger Insertion und Deinterkalation äquivalenter Elektronen mit Lithiumionen (üblicherweise als Einbettung oder Deinterkalation der positiven Elektrode und Insertion oder Deinterkalation der negativen Elektrode bezeichnet). Während des Ladens und Entladens werden Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode interkaliert / deinterkaliert und eingefügt / deinterkaliert und treffend als "Schaukelstuhlbatterien" bezeichnet.

Wenn die Batterie geladen wird, werden Lithiumionen an der positiven Elektrode der Batterie erzeugt, und die resultierenden Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. Der Kohlenstoff als negative Elektrode hat eine Schichtstruktur. Es hat viele Mikroporen. Lithiumionen, die die negative Elektrode erreichen, sind in die Mikroporen der Kohlenstoffschicht eingebettet. Je mehr Lithiumionen eingebettet sind, desto höher ist die Ladekapazität. In ähnlicher Weise werden beim Entladen der Batterie (dh wenn wir die Batterie verwenden) die in die negative Kohlenstoffschicht eingebetteten Lithiumionen entfernt und zum positiven Pol zurückbewegt. Je mehr Lithiumionen zum positiven Pol zurückkehren, desto höher ist die Entladekapazität.

Im Allgemeinen wird der Ladestrom einer Lithiumbatterie zwischen 0,2 ° C und 1 ° C eingestellt. Je größer der Strom, desto schneller die Ladung und desto größer die Batteriewärme. Darüber hinaus ist eine übermäßige Stromladung nicht voll genug, da die elektrochemische Reaktion in der Batterie Zeit benötigt. Genau wie beim Eingießen von Bier produzieren Sie Schaum, wenn Sie zu schnell einschenken, aber Sie sind unzufrieden.

Vorsichtsmaßnahmen treffen

Bei Batterien ist der normale Gebrauch der Entladevorgang. Bei der Entladung von Lithiumbatterien müssen mehrere Punkte beachtet werden:

Erstens darf der Entladestrom nicht zu groß sein. Übermäßiger Strom verursacht Wärme im Inneren der Batterie und kann bleibende Schäden verursachen. Am Telefon ist daran nichts auszusetzen.

Aus der Abbildung rechts ist ersichtlich, dass je größer der Entladestrom der Batterie ist, desto kleiner die Entladekapazität und desto schneller der Spannungsabfall.

Zweitens absolut nicht überentladen! Die interne Speicherung elektrischer Energie in einer Lithiumbatterie wird durch eine reversible chemische Veränderung in der Elektrochemie erreicht. Übermäßige Entladung führt zu einer irreversiblen Reaktion dieser chemischen Veränderung. Daher hat die Lithiumbatterie am meisten Angst vor einer Überentladung. Sobald die Entladespannung unter 2,7 V liegt, kann die Batterie verschrotten. Glücklicherweise wurde die Schutzschaltung im akku des Mobiltelefons installiert. Die Spannung ist noch nicht niedrig genug, um die Batterie zu beschädigen. Die Schutzschaltung funktioniert und stoppt die Entladung.

"Lithiumbatterie" ist ein Batterietyp, der Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als negatives Elektrodenmaterial verwendet und eine nichtwässrige Elektrolytlösung verwendet. 1912 wurde die Lithium-Metall-Batterie erstmals von GilbertN vorgeschlagen und untersucht. Lewis. In den 1970er Jahren schlug MS Whittingham vor und begann, Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen. Aufgrund der sehr lebhaften chemischen Eigenschaften von Lithiummetallen erfordern die Verarbeitung, Konservierung und Verwendung von Lithiummetallen sehr hohe Umweltanforderungen. Daher werden Lithiumbatterien seit langem nicht mehr verwendet. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie sind Lithiumbatterien zum Mainstream geworden.

Lithiumbatterien können grob in zwei Kategorien unterteilt werden: Lithiummetallbatterien und Lithiumionenbatterien. Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium und können aufgeladen werden. Die Lithium-Metall-Batterie der fünften Generation für wiederaufladbare Batterien wurde 1996 geboren. Ihre Sicherheit, spezifische Kapazität, Selbstentladungsrate und ihr Leistungspreis sind besser als die von Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der eigenen High-Tech-Anforderungen stellen Unternehmen in nur wenigen Ländern diese Lithium-Metall-Batterie her.

Lithium-Metall-Batterie:

Lithiummetallbatterien verwenden im Allgemeinen Mangandioxid als positives Elektrodenmaterial, Lithiummetall oder sein Legierungsmetall als negatives Elektrodenmaterial und Batterien, die nichtwässrige Elektrolytlösungen verwenden.

Grundprinzipien der Lithiumbatterie

Grundprinzipien der Lithiumbatterie

Entladungsreaktion: Li + MnO2 = LiMnO2

Lithium-Ionen-Batterien:

Lithium-Ionen-Batterien verwenden im Allgemeinen Metalloxide aus Lithiumlegierungen als positive Elektrodenmaterialien, Graphit als negative Elektrodenmaterialien und Batterien, die nichtwässrige Elektrolyte verwenden.

Die Reaktion, die am positiven Ladepol auftritt, ist

LiCoO2 = Li (1-x) CoO2 + XLi + Xe- (Elektron)

Die Reaktion, die am Ladungsnegativpol auftritt, ist

6C + XLi + Xe- = LixC 6

Gesamtreaktion der wiederaufladbaren Batterie: LiCoO2 +6 C = Li (1-x) CoO2 + LixC6

positive Elektrode

Positive Materialien: Es gibt viele optionale positive Materialien, und Hauptprodukte sind hauptsächlich lithiumeisenphosphat. Verschiedene positive Materialvergleiche:

LiCoO2

3,7 V.

140 mAh / g

Li2Mn2O4

4,0 V.

100 mAh / g

LiFePO4

3,3 V.

100 mAh / g

Li2FePO4F

3,6 V.

115 mAh / g

Positive Elektrodenreaktion: Lithiumionen werden während der Entladung eingebettet und Lithiumionen werden während des Ladens deinterkaliert. Beim Laden: LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi ++ xe-Entladung: Li1-xFePO4 + xLi ++ xe- → LiFePO4.

Negative Elektrode

Negative Materialien: Mehr Graphit. Neue Forschungen haben ergeben, dass Titanat ein besseres Material sein kann.

Negative Elektrodenreaktion: Lithiumionen werden während der Entladung deinterkaliert und Lithiumionen werden während des Ladens eingebettet.

Beim Laden: xLi + + XE- + 6C → LixC6

Entladung: LixC6 → xLi + XE- + 6C

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