Analyse der Lithium-Ionen-Batteriechemie

Lithium-Ionen-Batterien sind der neue beste Freund verschiedener Geräte und Technologien. Ob Hybridautos, Telefone oder Laptops, die meisten von ihnen werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben. Eines der Dinge, die in diesen Zellen auffallen, ist ihre Energiedichte. Die Energiedichte eines durchschnittlichen Lithium-Ionen-Akkus ist doppelt so hoch wie die eines NiCad-Akkus. Dies bedeutet, dass ein leichter und kleinerer lithium-akku die gleiche Leistung wie ein großer NiCad-Akku liefern kann. Daher sind sie besser für tragbare Elektronik.

Chemische Materialien für die Bildung von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen ist das zentrale chemische Material, das bei der Bildung der Batterie verwendet wird. Beide Elektroden bestehen aus einem Material, das die Lithiumionen durch einen als Interkalation bekannten Prozess leicht absorbieren kann. Bei diesem Verfahren werden geladene Lithiumionen an den Elektroden gehalten, wodurch Energie erzeugt wird. Bei der Bildung der Lithium-Ionen-Batterie werden die Ionen mit Elektronen verbunden und an die Anode gebunden. Beim Entladen der Batterie werden diese Lithiumionen von der Anode freigesetzt und von der Kathode nach dem Durchlaufen eines Elektrolyten absorbiert.

Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie geladen wird, tritt an der Kathode ein Oxidationsprozess auf. Hier verliert die Kathode ihre Elektronen. Um das Ladungsgleichgewicht zwischen den beiden Elektroden aufrechtzuerhalten, löst die Kathode die gleiche Anzahl positiver Ionen ebenfalls im Elektrolyten auf. Diese positiven Ionen wandern zur Anode, verbinden sich innerhalb ihrer Struktur und integrieren sich in das Lithiumion.

Wenn sich die Batterie entlädt, wird das Lithiumion vom Anodenmaterial getrennt. Es wandert durch den Elektrolyten zur Kathode. Diese Wanderung setzt wieder Elektronen frei, die eine weite Strecke durchlaufen und dadurch elektrischen Strom liefern.

Das für den Elektrolyten verwendete chemische Material ist eine Lösung, die Lösungsmittel wie Diethylcarbonat oder Dimethylcarbonat enthält. Die Mischung wird ebenfalls mit Lithiumsalzen versetzt. Dieser Elektrolyt spielt eine Rolle bei der Aufrechterhaltung und Verbesserung der Leistung der Batterie. Da der Elektrolyt Lithiumsalze enthält, bedeutet dies, dass er Lithiumionen enthält. Daher müssen sich Lithiumionen lediglich in der Lösung lösen, anstatt den gesamten Weg von der Kathode zur Anode und umgekehrt zurückzulegen.

Das für die Anode verwendete Material ist Graphit. Da das Element durch wiederholtes Einsetzen und Entladen von Lithiumionen beschädigt wird, versuchen Forscher, die Realisierbarkeit der Verwendung von Optionen wie Graphem zu messen. Andererseits ist das chemische Material für die Kathode eine Kombination aus Metall, Sauerstoff und Lithium.

Unterschiedliche Zuordnung chemischer Elemente für unterschiedliche Lithium-Ionen-Batterieanwendungen

Ein Lithium-Ionen-Akku ist ein Überbegriff. Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien. Der Unterschied liegt in den chemischen Elementen, aus denen die Zelle besteht. Die unterschiedliche Zuordnung chemischer Elemente macht die Batterie ferner für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet. Hier sind einige der beliebtesten Assoziationen für chemische Elemente.

lithiumkobaltoxid (LiCoO2)

Diese chemische Assoziation wird am besten verwendet, um Batterien zum Laden von Telefonen, Kameras und Laptops herzustellen. Hier besteht die Anode aus einem Graphitkohlenstoff, während die Kathode aus Kobaltoxid besteht. Das Manko dieser Batterie ist ihre geringe Lebensdauer und thermische Stabilität.

Lithiummanganoxid (LiMn2O4)

Die Verwendung von Lithiummanganoxid als Batterie wurde erstmals 1996 kommerzialisiert. Hier wird Lithiummanganoxid als Kathode verwendet. Seine dreidimensionale Spinellbildung fördert den Ionenfluss zur Elektrode. Dies hilft bei der Reduzierung des Innenwiderstands und der Erhöhung der Strommenge, die durch das System fließt. Im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien weist diese chemische Elementassoziation eine höhere thermische Stabilität auf. Das Leben ist jedoch auch begrenzt.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO2)

Die beliebteste und erfolgreichste Assoziation chemischer Elemente ist die Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Kombination. Die Kathode verfügt über eine NMC-Kombination (Nickel-Mangan-Kobalt). Diese Batterien weisen eine hohe Energiedichte auf und können daher als Strom- oder Energiezellen fungieren. Diese Kombination eignet sich am besten für den Antrieb von E-Bikes, Antriebssträngen und Werkzeugen. Die Kathode verwendet 1/3 Mangan, Nickel bzw. Kobalt.

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4)

Bereits 1996 fanden Forscher heraus, dass Phosphat auch als Kathode für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann. Diese Kombination bietet geringen Widerstand und bessere Leistung. Es zeichnet sich auch durch eine lange Lebensdauer, eine bessere Toleranz und eine hohe thermische Stabilität aus.

Lithium-Ionen-Batterie-Chemie-Technologie 2019

Eine der jüngsten Technologieforscher, auf die die Chemie der Lithium-Ionen-Batterien hinarbeitet, sind Festkörperelektrolyte und Elektroden. Derzeit verwenden alle Lithium-Ionen-Technologien flüssige Elektrolyte. Dies verursacht viel Widerstand. Darüber hinaus bedeutet dies auch, dass teure Membranen erforderlich sind, um Anode und Kathode getrennt zu halten. Ganz zu schweigen davon, dass das undurchlässige Gehäuse zur Verhinderung von Leckagen auch nicht billig ist. Dies hat das Design und die Größenfreiheit von Lithium-Ionen-Batterien bisher erheblich beeinträchtigt.

Die schrittweise Hinwendung zu Festkörperelektrolyten hat die Fähigkeit, solche Probleme zu lösen. Davon profitieren insbesondere Wearables, Elektroautos und der Drohnenmarkt. Im Jahr 2011 entdeckten das Tokyo Institute of Technology und Toyota einen Festelektrolyten auf Sulfidbasis, der die gleiche Leitfähigkeit wie ein flüssiger Elektrolyt aufweist. Bis 2016 konnten sie die Leitfähigkeit verdoppeln. Dies hat zu einem erhöhten Interesse an einem Festkörperelektrolyten geführt, um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu verbessern.

In Festkörperbatterien sind alle chemischen Elemente, ob Elektrolyte oder Elektroden, Festkörperbatterien. Der Elektrolyt fungiert aufgrund seiner Bildung als Separator, sodass kein Gehäuse und keine Membran erforderlich sind. Daher ist die Batterie flexibel, dünner und weist eine hohe Energiedichte auf. Die Haltbarkeit wird auch durch die Entfernung von flüssigem Elektrolyt verbessert.

Die Entwicklung von Festkörperbatterien ist die neue Technologie, auf die die Forscher 2019 hinarbeiten werden. Diese Batteriestrategie soll alles ändern, was wir über den Batteriemarkt wissen.

Fazit

Lithium-Ionen-Batterien bleiben erhalten. Sie sind eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen NiCad-Batterien. Mit ständigen Innovationen können wir erwarten, dass sie mit jedem Jahr in Bezug auf Leistung und Haltbarkeit besser werden. Nur die Zeit wird zeigen, um wie viel sie sich verbessern.