Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien: Materialien, Technologie und neue Anwendungen

Tragbare elektronische Geräte sind zu einem Teil unserer modernen technologischen Welt geworden. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich in tragbaren Geräten als Stromversorgungsquelle verwendet. Lassen Sie uns untersuchen, was Lithium-Ionen-Batterien so besonders macht und wie lithium-batterien in Zukunft noch besser werden.

Welche Materialien machen lithium-ionen-akkus?

Die Lithiumbatterie besteht aus kleineren Batterien, die als Zellen bezeichnet werden. Jede Zelle ist ein kleiner chemischer Herstellungskomplex, der aus einem Elektrolyten besteht, der die beiden unterschiedlichen Elektroden verbindet. Wie bei jeder anderen Batterie gibt es eine positive und eine negative Elektrode, die als Kathode bzw. Anode bezeichnet wird.

Kathodenmaterialien

Die Kathode oder positive Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien besteht aus Materialien des Standes der Technik, die reine Lithium-Metalloxide enthalten. Es gibt viele Materialien, die verwendet werden können, wie lithiumkobaltoxid (LiCoO2), Lithiumoxido (trioxo) mangan (LiMn2O4), Li (NixMnyCoz) O2], Vanadiumoxide, Olivine (wie LiFePO4) und wiederaufladbare Lithiumoxide. Nickel- und Kobalthaltiges Schichtoxidmaterial wird hauptsächlich bei Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Je gleichmäßiger die Zusammensetzung ist, desto besser ist die Leistung und desto länger wäre die Batterielebensdauer.

Während einige Metalloxide eine hohe Stabilität gegenüber dem Hochspannungsbereich aufweisen, gibt es einige, die einige Einschränkungen aufweisen. Zum Beispiel ist die begrenzte Verfügbarkeit von Kobalt ein Problem. Außerdem ist Kobalt ein giftiges Metall, das den größten Nachteil für die Massenproduktion darstellt. Mangan ist ein kostengünstiges Metall mit einer hohen thermischen Schwelle, zeigt jedoch ein eingeschränktes Zyklusverhalten. Anstatt Metalle einzeln zu verwenden, wird häufig eine Kombination aus Kobalt, Nickel und Mangan verwendet, um das beste Ergebnis zu erzielen und die damit verbundenen Nachteile zu minimieren.

Wenn es um Vanadiumoxide geht, weisen sie eine ausgezeichnete Kinetik und eine enorme Kapazität auf. Obwohl aufgrund der Lithiuminsertion und -extraktion Vanadiumoxidmaterial wahrscheinlich amorph wird. Dies wiederum begrenzt das Fahrverhalten. Jetzt haben Olivine den Vorteil, ungiftig zu sein, aber sie weisen eine mäßige Kapazität auf. Auch ihre Leitfähigkeit ist gering. Zahlreiche Beschichtungstechniken wurden eingeführt, um die schlechte Leitfähigkeit auszugleichen; Dies alles ist jedoch mit zusätzlichen Verarbeitungskosten für den Akku verbunden.

Anodenmaterialien

Auf der anderen Seite befindet sich eine weitere Elektrode namens Anode. Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind Graphit, Lithiumlegierungsmaterialien, Lithium, Intermetall oder Silizium. Lithium scheint das einfachste Material zu sein, aber es gibt Bedenken hinsichtlich seines Zyklusverhaltens und des dendritischen Wachstums, das für die Entstehung von Kurzschlüssen verantwortlich ist. Aus diesem Grund sind kohlenstoffhaltige Anoden aufgrund ihrer geringen Kosten und hohen Verfügbarkeit das am meisten bevorzugte anodische Material. Eine höhere Ladungsdichte in mAh / g Lithium überwindet jedoch diese kohlenstoffhaltigen Anoden. Um die Kapazität zu erhöhen, verwenden Wissenschaftler Kohlenstoffnanoröhren und neuartige Graphitsorten. Intermetallische Verbindungen und Legierungsanoden haben ebenfalls hohe Kapazitäten gezeigt, aber aufgrund einer beträchtlichen Volumenänderung zeigen diese Verbindungen ein schlechtes Zyklusverhalten. Nanokristalline Materialien können verwendet werden, um diese Volumenänderung zu überwinden.

Elektrolyte

Die Batterie ist mit einem Transportmedium des Elektrolyten gefüllt, so dass Lithiumionen, die die Ladung der Batterie tragen, frei fließen können. Dieser Elektrolyt muss rein und wasserfrei sein, um ein effizientes Laden und Entladen zu gewährleisten und einen Kurzschluss zu vermeiden. Es können viele Arten von Elektrolyten verwendet werden, die als flüssige, polymere und Festkörperelektrolyte bezeichnet werden. Meistens sind Elektrolyte auf Lösungsmittelbasis bevorzugt, die ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel wie Bis (oxalato) borat (LiBC4O8) (LiBOB), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF?), Lithiumfluoralkylphosphat Li [PF3 (C2F5) 3] oder enthalten ähnlich. Die Verwendung von organischen Lösungsmitteln stellt jedoch ein Umweltrisiko dar. Feste Polymerelektrolyte sind zusammen mit Bedenken hinsichtlich der Entflammbarkeit eine hervorragende Alternative zur Verbesserung der Sicherheitsleistung von Batterien.

Daher muss eine geeignete Kombination aus negativen, positiven Elektrodenmaterialien und Elektrolytmaterialien vorhanden sein, um eine kostengünstige Li-Ionen-Batterie mit hoher Kapazität herzustellen.

2019 Neue Anwendung der Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien haben ein breites Anwendungsspektrum. Seit der Einführung dieser Batterien wurden unzählige Untersuchungen und zahlreiche Verbesserungen durchgeführt, um die Leistung dieser Batterien zu steigern. Als Teil unserer alltäglichen modernen Gesellschaft ist Lithium-Ionen eine dominierende Technologie. Schauen Sie sich Ihre tragbaren elektronischen Geräte an - Smartphones, Laptops und Tablets, Hybrid- und vollelektrische Autos - alles Lithium-Ionen. Da sich die Gesellschaft weniger CO2-Emissionen und energieeffizienten Produkten nähert, wird die Lithium-Ionen-Technologie im Automobilsektor bevorzugt. Diese Batterien können Wind- und Sonnenenergie speichern. Für das moderne Elektroauto wird eine große Zukunft vorausgesagt, um die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. In der Zwischenzeit haben Experten auch Möglichkeiten in Betracht gezogen, Lithium aus gebrauchten Batterien zu recyceln. Laut neuen Forschungsergebnissen werden Lithium-Ionen-Batterien bis 2050 die kostengünstige Technologie sein, um Strom für die meisten Anwendungen zu reservieren. Eine solche Anwendung besteht darin, sicherzustellen, dass die Energienetze keinen großen Schwankungen unterliegen, und den Kunden die Verwaltung ihrer Rechnungen zu ermöglichen. Diese Anwendungen sind in einer Welt von entscheidender Bedeutung, in der wir stark auf intermittierende Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie angewiesen sind. Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien für folgende neue Anwendungen nimmt bemerkenswert zu:

● Elektrowerkzeuge

● Tragbares Ladegerät

● Kommunikationsausrüstung

● Tragbare Geräte

● Drohnen

2019 Nachfragetrend der Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien werden seit Jahren verwendet. Bis 2026 wird für den Lithium-Ionen-Batteriemarkt ein robustes Wachstum von 36,20 Mrd. USD im Jahr 2018 auf 109,72 Mrd. USD bei einer jährlichen Wachstumsrate von 13,4% prognostiziert. Die Tatsache, dass Lithium-Ionen-Batterien zunehmend als Vollbatterie-Elektrofahrzeug (BEV) und Hybrid-Stromquelle eingesetzt werden, macht es zur perfekten Wahl in der Automobilindustrie. Außerdem besteht eine zunehmende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in verschiedenen Anwendungsbereichen wie Elektronik, Wind, Militär und Industrie.

Hier sind einige der neuesten anspruchsvollen Trends von Lithium-Ionen-Batterien.

● Hohe Nickelisierung von Kathodenmaterialien

● Schwerpunkt auf Festkörperbatterien

● Der Markt für Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Batterien gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit.

● Die Verwendung von li-ionen-akkus in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verdient besondere Aufmerksamkeit.

Fazit

Die Welt braucht ständig effiziente Akkus. Da Lithium-Ionen-Batterien leichter und kleiner sind und mehr Energie pro Volumeneinheit liefern, verwenden eine große Anzahl von Automobilen und Batterieunternehmen LIBs. Forscher auf der ganzen Welt haben jedoch Probleme, eine Spitzentechnologie zu entwickeln, die besser ist als Lithium-Ionen-Batterien. Auf dem Weg der Welt in Richtung einer elektrischen Zukunft könnte der nächste große Durchbruch in der Technologie für wiederaufladbare Batterien unmittelbar bevorstehen.