Kennen Sie die Elektrochemie von Lithium-Ionen-Batterien?

Die Speicherung von Energie gilt als eine der Schlüsseltechnologien für die erfolgreiche Realisierung erneuerbarer Energien sowie für die Elektrifizierung verschiedener Sektoren und Branchen. Unser heutiger Beitrag wird viel über die Elektrochemie von Lithium-Ionen-Batterien hervorheben, sodass Sie mehr über diese Batterien und ihre Chemie erfahren können.

Batterien sind ein wesentliches Energiespeicherwerkzeug für den festen und mobilen Einsatz. Sie werden hauptsächlich für kleine oder tragbare Geräte verwendet. Sie werden auch verwendet, wenn elektrische Verbindungen weder praktisch noch möglich sind.

Einführung der Elektrochemie von Lithium-Ionen-Batterien

Die Anwendungen von Batterien reichen von kleineren Geräten wie MP3-Playern über Smartphones bis hin zu High-End-Leistungssystemen wie Automobilen oder Energiespeichersystemen, die in Kraftwerken, beispielsweise Turbinen, verwendet werden.

Konfiguration oder Einrichtung

Die typische Batteriekonstruktion besteht aus zwei Elektroden entgegengesetzter Ladung, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Und sie werden in Abhängigkeit vom chemischen System, das ihren Betrieb umgibt, in primäre oder sekundäre Zellen eingeteilt.

Primärzellen

Die Primärzellenbatterien können nicht aufgeladen oder aufgeladen werden. Sie sind vollständig vorgeladen und können sofort nach dem Kauf verwendet werden. Sie bieten hohe spezifische Energien sowie lange Lagerzeiten.

Diese Primärzellen decken jedoch derzeit nur eine Marktnische ab. Sie werden normalerweise verwendet, wenn keine wiederaufladbaren Batterien verwendet werden können oder wenn das Aufladen nicht möglich ist. Dies ist beispielsweise bei Armbanduhren, Spielzeugen oder sogar Herzschrittmachern der Fall. Es gibt auch andere Anwendungen, wie zum Beispiel beim Militär, wo Primärzellen in Raketen verwendet werden.

Primärbatteriezellen sind hauptsächlich alkalisches Mangan, lithiumbatterien oder Zink-Kohlenstoff.

Sekundärzellen

Im Gegensatz zu Primärzellen können die Sekundärzellenbatterien über hundert Mal geladen und wieder aufgeladen werden. Der Marktwert dieser Batterietypen steigt stetig.

Die ältesten wiederaufladbaren Batterien sind die Blei-Säure-Batterien. Sie werden weiterhin als Starterbatterien in Kraftfahrzeugen oder für Backup-Systeme verwendet. Es gibt auch andere Beispiele für Sekundärzellenbatterien wie Nickel-Metallhydrid (NiMH), Nickel-Cadmium (NiCd) und natürlich die Lithium-Ionen-Batterien. Letzteres steht derzeit im Mittelpunkt unserer Diskussion, da es die Batterie ist, die von den Big Game-Spielern auf dem Automobil- und Gadget-Markt am meisten bevorzugt wird.

Laden und Entladen

In den wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien sind die Ladungsträger die Lithium-Ionen. Diese Lithiumionen befinden sich in der Batterie an drei Stellen: Im Kristallgitter von LiCoO2 in der Kathode befinden sich die Lithiumsalze in Elektrolyten und in der Anode, wo Lithium nicht stabil ist, sondern wie ein "Gast" dazwischen wirkt die Graphit- und Kohlenstoffschichten. Wenn diese Batterien vollständig aufgeladen sind, sind ihre Anoden maximal mit Lithium gefüllt, wobei ein Lithiumatom an sechs Kohlenstoffatomen fixiert ist.

Während des Gebrauchs oder der Entladung der Batterie bewegen sich die positiv geladenen Lithiumionen innerhalb der Batterie von der positiv geladenen Elektrode oder Anode durch den Zwischenelektrolyten zur Kathode oder negativ geladenen Elektrode. Das lithiumkobaltoxid (als LiCoO2 bezeichnet) ist das vorherrschende Kathodenmaterial in allen Geräten Lithium-Ionen-Batterien, ähnelt jedoch einem lithiumeisenphosphat (chemisch als LiFePO4 bezeichnet), hat eine geringere Energiedichte, ist jedoch chemisch stabiler. Um diesen Stromkreis zu schließen, gelangen negativ geladene Elektronen außerhalb der Batterie durch die Anode zur Kathode und versorgen so das angeschlossene Gerät mit Strom. Dies wird beim Laden umgekehrt, erzwungen durch äußere Kräfte von der externen Energiequelle. Lithiumionen fließen durch einen umgekehrten Weg in der Batterie und kehren von der Kathode zur Anode zurück. Folglich sind die elektrochemischen Reaktionen in wiederaufladbaren Batterien reversibel.

Elektrochemische Charakterisierung der Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien haben sich als vielversprechend erwiesen. Es wurde vorgeschlagen, sie in Elektrofahrzeugen (EV) oder Elektrohybriden (HEV) zu verwenden. Graphit wird derzeit häufig als Anodenmaterial für kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien verwendet, insbesondere für solche, die in Mobiltelefonen, Kameras und Laptops verwendet werden. Aber dann war die Leistung der Zellen bei Anwendungen für Stromversorgungssysteme, die häufige Hochgeschwindigkeitsentladungen oder Laderaten erfordern, wie in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, nicht so vollständig zufriedenstellend wie erwartet.

Aufgrund der niedrigen Lithium-Interleaving-Spannung von etwa 0,1 V (bezogen auf Li / Li +) lagern sich Lithiummetalle leicht auf der Oberfläche von Graphitanoden ab und bilden insbesondere während einer schnellen Ladung dendritisches Lithium. Dies kann zu Sicherheitsproblemen führen. Spinell Li4Ti5O12 wurde viel Aufmerksamkeit geschenkt und als alternative Anode gegenüber Graphiten in Lithium-Ionen-Batterien angesehen, da es eine hervorragende Nullspannungsstruktur, Reversibilität und eine hohe Li-Ionen-Mobilität im Feld-Li4Ti5O12-Gitter aufweist. Insbesondere hat das Material eine hohe Li-Einfügungsspannung, die bei 1,55 V (relativ zu Li / Li +) arbeitet, und dies könnte die Bildung von dendritischem Lithium schädigen. Die geringe elektronische Leitfähigkeit von Li4Ti5O12 ist jedoch das Haupthindernis, das die Leistungsrate des Materials begrenzt.

Damit sich die elektrochemische Leistung von Li4Ti5O12 und die elektronische Leitfähigkeit verbessern, muss in anderen Bereichen viel Arbeit geleistet werden, damit das Problem gelöst werden kann. Eine der gängigen Strategien besteht darin, die Größe der Partikel zu verringern und das leitfähige Material auf die Oberfläche von Li4Ti5O12 aufzutragen oder die anderen Metallionen zu dotieren. Die Verringerung der Partikelgröße kann auch den Diffusionsabstand von Lithiumionen verringern und sowohl die Kapazität der Li-Konservierungselektrode als auch ihre Kinetik verbessern; Daher ist es möglich, die Geschwindigkeitsfähigkeit sowie die elektrochemische Leistung des Elektrodenmaterials zu verbessern. Einige Metallionen wie V5 +, Mg2 +, Ca3 +, Ta5 + und Ni3 + wurden beim Dotieren verwendet, um eine kleine Menge Li + oder Ti4 + in anderen zu ersetzen, um die elektronische Leitfähigkeit sowie die Geschwindigkeitskapazität zu verbessern. Die Beschichtung der Oberflächen von Lithium-Ionen-Batterien mit leitfähigen Materialien kann die Oberflächenleitfähigkeit verbessern und auch den Kontaktwiderstand verringern. Es wurde berichtet, dass leitfähige Materialien wie Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Sn, Ag und Cu verwendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit von Li4Ti5O12 zu modifizieren.

Elektrochemische Struktur der Lithium-Ionen-Batterie

Studien zur elektrochemischen Struktur der Lithium-Ionen-Batterien haben gezeigt, dass ein besseres Verständnis wissenschaftlicher Probleme und Probleme beim Entwurf und Bau einer Hochspannungskathode, die mit einem niedrigen ohmschen Abfall verbunden ist, von Vorteil sein kann. Einer der Hauptindizes für die Bewertung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ist das OCV, und seine Verbesserung zeigt vielversprechende Ergebnisse bei der Erhöhung der Energiedichte. Außerdem beweist der signifikante Potentialabfall an den Grenzflächen einen hohen Widerstand und ist einer der Hauptfaktoren, die die Leistungsdichte begrenzen.