Was halten Sie von Lithium-Ionen-Batteriekomponenten?

Einführung

Lithium-Ionen-Batterien gelten als eine der besten Energiespeichertechnologien. Diese Batterien sind in Elektrofahrzeugen, tragbaren Geräten, Netzenergiespeichern usw. weit verbreitet. Seit der Vermarktung von Li-Ion-Batterien im Jahr 1991 wurde die Energiedichte von Li-Ion-Batterien aggressiv erhöht. In der heutigen Zeit haben wir hochmoderne Zellen erlebt, die sehr hohe Energieniveaus erreichen können. Umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind im Gange und verbessern sicherlich die Fähigkeit, sichere und zuverlässige Lithium-Ionen-Batterien herzustellen, die in Hybrid-Elektro- und Elektrofahrzeugen sowie in Solarzellen und Windmühlen eingesetzt werden. Trotzdem ist die Sicherheit eines Li-Ion-Akkus immer noch ein Problem, die Lebensdauer des Akkus ist immer noch nicht ausreichend und die Kosten sind zu hoch. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Hauptkomponenten eines lithium-ionen-akkus, ihre Rolle und wie sie verarbeitet werden.

Einführung der wichtigsten Lithium-Ionen-Batteriekomponenten

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus vier Hauptkomponenten; Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator. Jede einzelne Komponente eines Li-Ion-Akkus ist unerlässlich und der Akku kann nicht funktionieren, wenn eine der Komponenten fehlt. Diese Komponenten bilden die kleinste Arbeitseinheit in einer Batterie, die als elektrochemische Zelle bekannt ist und aus einer Kathode und einer Anode besteht, die durch einen Elektrolyten getrennt und verbunden sind.

Die Zellendesigns und -kombinationen in Modulen und Akkus unterscheiden sich stark. In diesem Artikel lernen Sie jedoch die Hauptzellendesigns und anschließend die Verarbeitung und Herstellung der Zellen kennen.

Die Elektroden in Lithium-Ionen-Zellen bestehen immer aus festen Materialien. Sie können Elektrolyte verwenden, um zwischen Zelltypen zu unterscheiden. Der Elektrolyt kann flüssig, gelartig oder fest sein. Beispielsweise stellen die Elektrolyte in Gel- und Festkörperzellen eine strukturelle Komponente dar und benötigen zusätzliche Separatoren für die effektive Trennung von Elektrolyten und die Verhinderung von Kurzschlüssen.

Unterschiedliche Rollen von Lithium-Ionen-Batteriekomponenten

Kathode

Die Kathode kann aus Materialien des Standes der Technik hergestellt sein, einschließlich Lithiummetalloxiden, Vanadiumoxiden, Olivinen und wiederaufladbaren Lithiumoxiden. Die Schichtoxide wie Kobalt und Nickel sind die am häufigsten untersuchten Materialien für Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind mit einer hohen Stabilität im Hochspannungsbereich verbunden. Die Verfügbarkeit von Kobalt ist jedoch von Natur aus sehr begrenzt und giftig, was die Massenproduktion hemmt. Mangan ist eine kostengünstige Substitution mit hoher thermischer Schwelle und hervorragenden Ratenfähigkeiten, bietet jedoch eine begrenzte Zyklenfähigkeit.

Mischungen aus Kobalt, Nickel und Mangan werden verwendet, um die besten Eigenschaften zu kombinieren und die Nachteile zu minimieren. Einige Li-Ionen-Batterien haben Vanadiumoxide, die eine große Kapazität und eine ausgezeichnete Kinetik bieten. Aufgrund der Einfügung und Extraktion von Lithium neigt das Material jedoch dazu, amorph zu werden, wodurch das Zyklusverhalten begrenzt wird. Es gibt auch Olivine, die ungiftig sind und aufgrund des Zyklus eine mäßige Kapazität mit geringem Ausbleichen bieten, deren Leitfähigkeit jedoch gering ist. Einige Verfahren werden verwendet, um das Material zu beschichten, um die Leitfähigkeit des Materials zu verbessern, dies erhöht jedoch nur die Verarbeitungskosten der Batterie.

Damit eine Lithium-Ionen-Batterie Elektrizität erzeugt, müssen chemische Reaktionen von Lithium stattfinden. Und deshalb wird in der Batterie Lithium verwendet, und das nennt man Kathode. Lithium ist jedoch instabil und wird daher in einer Kombination von Lithium und Sauerstoff verwendet, um Lithiumoxid als Kathode zu bilden. In der Kathode einer Li-Ionen-Batterie wird Lithiumoxid als aktives Material verwendet.

An der Kathode befindet sich eine dünne Aluminiumfolie, die verwendet wird, um den Rahmen der Kathode zu halten, der mit einer Verbindung aus aktivem Material, leitfähigem Additiv und Bindemittel beschichtet ist. Das aktive Material enthält Lithiumionen, das leitende Additiv wird hinzugefügt, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, und das Bindemittel wird als Klebstoff eingesetzt, der es dem aktiven Material und dem leitenden Material ermöglicht, auf dem Aluminiumsubstrat an Ort und Stelle zu bleiben.

Die Kathode spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften der Batterie, da die Kapazität und Spannung der Batterie durch die Art des für die Kathode verwendeten aktiven Materials bestimmt werden. Je höher die Lithiummenge ist, desto größer ist die Kapazität. Je größer der Potentialunterschied zwischen Kathode und Anode ist, desto höher ist auch die Spannung.

In den meisten Fällen ist die Potentialdifferenz für Anoden je nach Typ gering, aber für eine Kathode ist die Potentialdifferenz im Allgemeinen relativ hoch, und daher spielt die Kathode eine sehr wichtige Rolle bei der Bestimmung der Spannung der Batterie.

Anode

Die Anode ist auch mit einem aktiven Material beschichtet, das eine wichtige Rolle dabei spielt, elektrischen Strom durch den externen Stromkreis fließen zu lassen und gleichzeitig die reversible Absorption von Lithiumionen zu ermöglichen, die von der Kathode freigesetzt werden.

Während eines Ladezustands der Batterie enthält die Anode eine hohe Konzentration an interkalierten Lithiumionen, während die Kathode an Lithium abgereichert ist. Während dieser Zeit, wenn der leitende Draht die Anode mit der Kathode verbindet, was als Entladungszustand bezeichnet wird, fließen die Lithiumionen natürlich von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode, während das zugehörige Elektron zur Stromversorgung eines elektrischen Geräts verwendet wird.

In der Anode wird Graphit verwendet, da es eine stabile Struktur aufweist. Aufgrund seiner geringen elektrochemischen Reaktivität, der Bedingungen für die Lagerung vieler Lithiumionen und des Preises wird Graphit als geeignet für die Anode angesehen.

Elektrolyt

Der Elektrolyt erlaubt nur die Bewegung von Lithiumionen. Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten und Elektronen bewegen sich durch den Draht. Der Elektrolyt spielt daher eine wichtige Rolle bei der Verwendung von Elektrizität in der Batterie.

Der Elektrolyt dient als Medium, das nur die Bewegung von Lithiumionen zwischen Kathode und Anode ermöglicht. Materialien mit hoher Ionenleitfähigkeit werden hauptsächlich für den Elektrolyten verwendet, um die Bewegung von Lithiumionen hin und her zu erleichtern.

Der Elektrolyt besteht aus Salzen, Lösungsmitteln und Additiven. Die Salze bieten einen Durchgang für die Bewegung von Lithiumionen, die Lösungsmittel sind organische Flüssigkeiten, die die Salze lösen, und die Additive werden für bestimmte Zwecke in kleinen Mengen zugesetzt.

Eine solche Art von Elektrolyt lässt nur Ionen zu den Elektroden wandern und lässt keine Elektronen durch. Auch die Geschwindigkeit der Bewegung der Lithiumionen hängt von der Art des Elektrons ab.

Separator

Der Separator fungiert als physikalische Barriere zwischen Kathode und Anode. Es wird installiert, um den direkten Elektronenfluss zu verhindern, und lässt nur die Lithiumionen durch das innere mikroskopische Loch gelangen. Daher muss das Separatormaterial alle physikalischen und elektrochemischen Bedingungen erfüllen.

Separatoren, die heute üblicherweise verwendet werden, sind Kunstharze wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP).

Separatoren verfügen über integrierte thermische Abschaltmechanismen und zusätzliche externe hochentwickelte Wärmemanagementsysteme, die den Modulen und Batteriepacks hinzugefügt werden. Bei erhöhten Temperaturen schmilzt oder schließt es seine Poren, um die Lithiumionenbewegung zu unterbrechen, ohne seine mechanische Stabilität zu verlieren.

Verarbeitung von Lithium-Ionen-Batteriekomponenten

Während der Entladung bewegen sich Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Die Interkalations-Deinterkalationsprozesse führen zu Volumenänderungen in den aktiven Elektrodenmaterialien. Dieser wiederholte Vorgang aufgrund von Zyklen kann Risse verursachen und zu einem eventuellen Bruch führen, was zu einem unbrauchbaren aktiven Elektrodenmaterial aufgrund einer Trennung zum Elektrodenkollektor oder eines Kurzschlusses führt.

Die Bemühungen bei der Verarbeitung und Herstellung von Material zur Leistungssteigerung und zur Bewältigung unvermeidbarer Volumenänderungen haben zu Verbundwerkstoffen mit mikro- und nanoskaligen Partikeln geführt. Nanopartikel können Volumenänderungen mit einem sehr geringen Risiko der Rissinitiierung bewältigen. Darüber hinaus führen ihre mikroskaligen Agglomerate und Verbundwerkstoffe zu minimalen Diffusionsweglängen durch die langsamen Diffusionselektroden.

Bei zylindrischen Zellen werden die Elektrolyte aus Pasten von Aktivmaterialpulvern gebildet, Bindemittel, Lösungsmittel und Additive werden auf den Stromkollektorfolien wie Aluminium für die Kathodenseite und Kupfer für die Anodenseite verteilt. Nach der Kalenderung für homogene Dicke und Partikelseite wird auf die richtige Breite geschnitten. Die Komponenten werden dann zu einer Separator-Anode-Separator-Kathode gestapelt, gefolgt von Wickeln zu zylindrischen Zellen, Einsetzen in zylindrische Gehäuse und Schweißen einer leitenden Lasche. Dann werden die Zellen mit einem Elektrolyten gefüllt, der den Separator benetzen sowie die Elektroden einweichen und benetzen muss. Alle anderen wesentlichen Isolatoren, Dichtungen und Sicherheitsvorrichtungen werden dann angebracht und angeschlossen.

Nach all dem werden die Zellen zum ersten Mal mit ausgeklügelten Protokollen aufgeladen, um die Leistung, das Zyklusverhalten und die Akkulaufzeit zu verbessern, und anschließend getestet.

Fazit

Sie haben gerade die Hauptkomponenten eines lithium-ionen-akkus und ihre unterschiedlichen Rollen entdeckt. Die Chemie der Lithium-Ionen-Zellen bietet einige der besten Alternativen für die Speicherung elektrischer Energie für elektrische Geräte und Anwendungen. Dies wird auf ihr elektrochemisches Potential, ihre hohe Kapazität und Energiedichte zurückgeführt.