Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Einführung

Eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts ist die der Lithium-Ionen-Batterie. Es war von unschätzbarem Wert auf der Erde, nach einer erneuerbaren Energiequelle zu suchen und den Kraftstoffverbrauch weltweit zu senken.

Lithium-Ionen-Akku definiert

Die Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ionen-Batterie) ist eine Form einer wiederaufladbaren Batterie, bei der aus den in ihrer Zelle stattfindenden chemischen Reaktionen elektrische Energie erzeugt wird. In der Zelle gibt es im Verlauf der Energieerzeugung die Bewegung von Ionen von den negativen Elektroden zur positiven Seite, aber wenn die Batterie geladen wird, gibt es eine Bewegung von Elektroden in die entgegengesetzte Richtung. In dieser Batterie ist eine interkalierte Lithiumverbindung vorhanden, die als eines der Elektrodenmaterialien verwendet wird. Im Gegenteil, es gibt das Vorhandensein der nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterie, die metallisches Lithium verwendet.

Diese Batterien waren in den letzten Jahren in tragbaren Geräten und Elektroautos von großem Nutzen. Im Gegensatz zu seiner begrenzten Verwendung in den 1970er Jahren, als es zum ersten Mal vollständig hergestellt wurde, wurde die Anzeige von Stanly Whittingham vorgeschlagen. Diese Batterien wurden in Mobiltelefone integriert, die von einem Unternehmen wie Nokia in großem Umfang verwendet werden. In jüngster Zeit wird es weltweit bei Tesla und einigen anderen Unternehmen eingesetzt, die versuchen, Produkte zu entwickeln, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden.

Die Li-Ionen-Batterien konnten aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ohne Memory-Effekte und einer Verringerung der Selbstentladungsprobleme im Vergleich zu anderen herkömmlichen Batterien so große Leistungen erbringen. Diese Batterien können jedoch zu Gesundheitsrisiken führen, da der darin enthaltene Elektrolyt leicht entflammbar ist. Wenn der Ladevorgang beschädigt ist oder ein Fehltritt vorliegt, kann dies zu Explosionen und Bränden führen.

Obwohl es in den frühen Tagen verschiedene Fehler gegeben hatte, als versucht wurde, den Prototyp des Lithium-Ionen-Akkus zu perfektionieren, ist der Akku hier, um zu bleiben, und würde eine größere Rolle dabei spielen, die Erde grün zu halten.

Analyse der Lithiumbatterietypen

Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien, und dies ist eine Folge des Unterschieds in der chemischen Zusammensetzung der Lithiumverbindung in einer bestimmten Batterie. Verschiedene Lithiumverbindungen führen zu einer Vielzahl von Batterien, die es gibt und die aufgelistet sind;

• Lithium-Kobaltoxid-Akku (LiCoO 2): Der Li-Kobalt wird aufgrund seiner hohen spezifischen Energie häufig bei der Herstellung von Mobiltelefonen, Digitalkameras und Laptops verwendet. In der Batterie ist das Kobaltoxid die Kathode, während Graphitkohlenstoff die Anode ist. Die Kathode hat eine charakteristische Schichtstruktur. Immer wenn Energie entladen wird, bewegen sich die Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Wenn das Telefon aufgeladen wird, erfolgt eine Umkehrung dieser Bewegung. Die Verwendung dieser Batterie hat jedoch den Nachteil, dass sie eine kurze Lebensdauer, eine geringe thermische Stabilität und eine sehr begrenzte Belastbarkeit aufweist.

Bei der Verwendung des Li-Ionen-Akkus ist zu beachten, dass der Akku nicht mehr als C-Lade- oder Entladevorgängen ausgesetzt werden darf. Wenn eine Ladung oder eine Last von mehr als 2400 mA angelegt wird, führt dies zu Überhitzung und übermäßiger Belastung.

In jüngster Zeit nimmt die Verwendung von Li-Cobalt-Batterien ab, und dies ist auf das Vorhandensein besserer alternativer Kombinationen zurückzuführen, die mehr Leistung liefern, stabiler sind und gleichzeitig eine längere Lebensdauer gewährleisten.

• Lithiummagnesiumoxidbatterie (LiMn2O4): Materialien zur Herstellung dieser Sorte der Lithiumbatterie wurden erstmals 1983 veröffentlicht, jedoch 1996 kommerzialisiert. Die Li-Ionen-Zelle enthält lithiummanganoxid als Kathodenmaterial. Bei dieser Batterie verbessert sich der Ionenfluss auf der Elektrode, was auf die dreidimensionale Spinellstruktur zurückzuführen ist. Dies führt auch zu einem geringeren Innenwiderstand und einer Verbesserung des Stromhandlings. Diese Batteriearchitektur bietet hohe Stabilität und verbesserte Sicherheit, wobei der einzige Nachteil darin besteht, dass der Lebenszyklus begrenzt ist.

Wenn eine Batterie einen niedrigen internen Zellwiderstand aufweist, bedeutet dies, dass sie schneller aufgeladen und hoher Strom entladen werden kann. In einem 18650-Behälter kann der Li-Akku etwa 20 bis 30 A Strom entladen, verbunden mit einem minimalen Wärmestau.

• lithium-nickel-mangan-kobaltoxid-Batterie (LiNiMnCoO2 oder NMC): Diese Batterie ist eine der erfolgreichsten der Li-Batterien, da das System als Energie- oder Energiezelle konzipiert wurde. Das Hauptgeheimnis für den Erfolg dieser Batterie ist die Kombination von Nickel und Mangan. Nickel hat eine charakteristische hohe spezifische Energie, jedoch eine sehr geringe Stabilität. Mangan kann zwar eine Spinellstruktur bilden, die zu einem geringen Innenwiderstand führt, hat jedoch eine geringe Energie. Wenn diese kombiniert werden, werden die Schwächen aufgehoben und die Stärken kombiniert, um eine leistungsstarke Batterie zu erhalten.

• Lithium-Ionen-Phosphat-Batterie (LiFePO4): Die Verwendung von Phosphat als Kathodenmaterial wurde von der University of Texas entdeckt. Die Leistung des Li-Phosphat-Akkus ist bemerkenswert, während er einen sehr geringen Widerstand bietet. Dies ist aufgrund der Nanoskala seines Phosphatkathodenmaterials möglich. Die Verwendung dieser Batterie bietet große Vorteile, von denen sind; Gute thermische Stabilität, erhöhte Sicherheit und Missbrauchstoleranz. Wenn dieser Akku längere Zeit unter Hochspannung gehalten wird, ist er widerstandsfähiger gegen Stress als andere Li-Ionen-Systeme.

• Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Akku (LiNiCoAlO2): Dieser Akku bietet über einen langen Zeitraum eine hohe spezifische Energie und eine angemessene Menge an Leistung. Die Sicherheit seiner Verwendung und die Kosten sind jedoch keine seiner großen Stärken.

• lithiumtitanat-batterie (Li4Ti5O12): Diese Batterien werden seit den 1980er Jahren verwendet. In diesem Fall ist die Anode Li-Titanat und ersetzt die Graphitanode anderer Systeme. Die Zykluszahl ist angemessen umfangreicher als bei normalen Li-Ionen-Batterien. Es ist eine sichere Batterie, da sie nur eine sehr geringe Wärmeabgabe aufweist.

Vor- und Nachteile eines Lithium-Ionen-Akkus

Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien kann uns wirklich viel sparen und der Welt beim Verbrauch von Kraftstoff helfen, der die Ozonschicht abbaut und zur globalen Erwärmung führt. Mit dieser Form erneuerbarer Energie würde die Erde und ihre Komponenten weniger unter Druck gesetzt. Li-Ion hat die folgenden Vor- und Nachteile.

Vorteile

-Sie haben eine hohe Energiedichte: Potenzial für höhere Kapazitäten.

- Sie müssen im Neuzustand nicht viel grundiert werden. Sie müssen lediglich einmal regelmäßig aufgeladen werden.

- Sie haben eine relativ geringe Selbstentladung, da ihre Selbstentladung weniger als die Hälfte der Batterien auf Nickelbasis beträgt.

-Es erfordert einen geringen Wartungsaufwand, da es nicht regelmäßig aufgeladen werden muss.

-Die spezialisierten Zellen können bei Bedarf sehr hohe Ströme liefern.

Nachteile

-Die Li-Ionen-Batterien benötigen eine Schutzschaltung, um die Spannung und den Strom aufrechtzuerhalten, damit die Sicherheitsgrenzen nicht überschritten werden.

- Sie unterliegen dem Altern und auch bei Nichtgebrauch. Die Lagerung des Akkus an einem kühlen Ort bei 40% Ladung führt jedoch tendenziell zu einer Verringerung des Alterungseffekts

-Es gibt verschiedene Transportbeschränkungen, da der Versand sehr großer Teile davon einen behördlichen Standard und eine Qualitätskontrolle erfordern würde.

-Sie sind sehr teuer in der Herstellung

- Sie müssen noch das letzte Entwicklungsstadium erreichen.

In der Welt, in der wir uns nach mehr Elektroautos, Flugzeugen und anderen kraftstoffverbrauchenden Maschinen sehnen, steigt der Bedarf an Li-Ionen-Batterien. Mit der Entwicklung und Innovation ist die Zukunft für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien ebenso vielversprechend.

Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien.

Seit ihrer Herstellung ist die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in verschiedenen Geräten weit verbreitet. Sie verfügen über eine lange Liste realer Anwendungen, die über die Verwendung in Telefonen, Elektrofahrzeugen und anderen tragbaren elektronischen Geräten hinausgehen. Sie werden in verschiedenen medizinischen Geräten sowie auf Yachten eingesetzt. Durch die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist es möglich, den Komfort einer modernen Batterie sowie deren Zuverlässigkeit zu genießen.

Es gibt verschiedene Geräte, die den Lithium-Ionen-Akku für die Stromversorgung verwenden.

• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV): Wenn ein Li-Ionen-Akku in der USV verwendet wird, können Sie sicher sein, dass Sie vor herkömmlichen Stromausfällen oder Instabilitäten geschützt sind. Diese Batterie unterscheidet sich ein wenig von einem Standby-Generator oder Backup. Dies liegt daran, dass das angeschlossene Gerät sofort mit Strom versorgt werden kann. Diese USV kann für verschiedene Geräte verwendet werden, darunter: Computer, Kommunikationstechnologie und Medizintechnik.

• • Elektroautos: Sie müssen sich keine Sorgen machen, dass ein Li-Ionen-Akku im Auto eingebaut ist. Diese Batterie ist zuverlässig, stabil und kann bei der Stromerzeugung lange halten. Wenn ein Benutzer entfernte Standorte erkundet, ist dies der beste Weg, um sicher und komfortabel zu bleiben. Diese Batterien haben eine Lebensdauer von über zehn Jahren und sind auf Reisen perfekt für lange Betriebsstunden geeignet. Sie wurden auch so optimiert, dass zwischen den Einsätzen nur wenig Strom verloren geht. Die leichten Lithiumbatterien versorgen das Elektrofahrzeug mit Strom und steigern den Wirkungsgrad, was im Gegensatz zu den Blei-Säure-Batterien durch eine Verringerung von Gewicht und Größe erreicht wird.

• • Hervorragende Leistung auf See: Die Lithium-Ionen-Batterien eignen sich für alle Arten von Seemotoren, unabhängig von der Größe, sobald eine Batterie verwendet wird. Wenn ein Boot aufgerüstet wird, um eine Lithium-Ionen-Batterie zu verwenden, kann der Benutzer jahrelange zuverlässige Motoren genießen. Unabhängig davon, welcher Wassermotor angetrieben wird, ist diese Batterie lange einsatzbereit. Sie sind einfach fähig und zuverlässig.

• • Mobiltelefone: Bei der Stromversorgung von Mobiltelefonen haben sich Lithium-Ionen-Batterien als gerade ausreichend erwiesen. Sie sind aufgrund der in den Batterien ablaufenden Prozesse wiederaufladbar. Wie jede andere Batterie besteht auch die Li-Ionen-Batterie aus drei Teilen, darunter Anode, Kathode und Elektrolyt. Bei der Herstellung der Telefonbatterien werden Elektroden aus interkalierter Lithiumverbindung metallischen Lithiumelektroden vorgezogen. Sie werden dann in einen luftdichten Behälter gegeben, der verhindert, dass Wasser aus der Batterie austritt. Diese Batterien haben eine sehr hohe Dichte.

• • Solarenergiespeicher: Die Nutzung von Solarenergie in der Welt nimmt zu, und viele Unternehmen nutzen sie. Die Länder investieren stark in die nachhaltige Energieversorgung durch Solarenergie. Es gibt jedoch Zeiten, in denen die Sonnenenergie ausfällt und die Lithium-Ionen-Batterien sehr praktisch sind. Diese Batterien sind der beste Ersatz für Solarmodule, und dies hängt von der Lademethode und der Geschwindigkeit ab. Diese Batterien werden schnell aufgeladen, damit sie maximiert werden können.

Beste Methoden zum Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien

Sie sollten beachten, dass Lithium-Ionen-Batterien in extremen Bedingungen nicht wirklich cool sind. Dies ist die Grundlage aller Vorsichtsmaßnahmen, die zur Verwendung einer Lithium-Ionen-Batterie getroffen werden müssen. Alle Lithium-Ionen-Akkus werden mit Hilfe eines Ladegeräts aufgeladen, und die Unterschiede in der Funktionalität dieses Ladegeräts sind die Voraussetzung, auf der die verschiedenen Lademethoden basieren. Dies sind die Grundlagen für das Laden und Entladen.

• Konstante Spannung: Dies ist die Lademethode, bei der ein Ladegerät mit konstanter Gleichspannung verwendet wird. Es handelt sich um eine grundlegende Gleichstromversorgung, die aus einem Transformator in seiner einfachsten Form aus dem Netz sowie einem Gleichrichter besteht, der die Gleichspannung erzeugt, die die Batterie mit Strom versorgt. Dieses Design des Ladens findet man in billigen Autobatterieladegeräten. Diese Lademethode ähnelt der für Blei-Säure-Batterien verwendeten.

• • Konstanter Strom: Um einen konstanten Stromfluss aufrechtzuerhalten, ändert sich die an die Batterie angelegte Spannung. Dies wird ausgeschaltet, wenn der Akku voll aufgeladen ist.

• • Verjüngungsstrom: Dies ist der Vorgang des Ladens der Batterie von einer ungeregelten Spannungsquelle. Diese Form des Ladens wird nicht kontrolliert, was zu einer Beschädigung der Zellen durch Überhitzung führen kann.

• • Gepulste Ladung: Dies ist die Situation, in der die Batterie Ladestromimpulsen ausgesetzt ist. Die Geschwindigkeit, mit der diese Aufladung erfolgt, kann jedoch durch die Variation der Impulsbreiten gesteuert werden

• • Rülpsen: Diese Methode wird neben dem Impulsladen verwendet und auch als negatives Impulsladen bezeichnet. Diese Form des Ladens hat noch kein endgültig erprobtes und vertrauenswürdiges Stadium in der Produktion erreicht, aber es ist sicher, dass es den Akku nicht beschädigt.

• • IUI-Aufladung: Dies ist eine neue Auflademethode, die zum schnellen Aufladen von Standard-Blei-Säure-Batterien eines bestimmten Herstellers entwickelt wurde. Diese Art des Ladens sollte nicht für Blei-Säure-Batterien verwendet werden.

• • Erhaltungsladung: Diese Form des Ladens wurde speziell entwickelt, um die Selbstentladung des Akkus auszugleichen. Es bietet eine kontinuierliche Ladung, die dem Akku eine langfristige Konstantstromladung für den Standby-Gebrauch ermöglichen kann. Dies würde ausreichen und das vollständige Entladen des Akkus bei Nichtgebrauch verhindern.

• • Erhaltungsladegerät: Dies ist eine Form des Ladens, bei der der Akku und die Last parallel über die Gleichstrom-Ladequelle geschaltet und auf einer konstanten Spannung unterhalb der oberen Spannungsgrenze des Akkus gehalten werden. Diese Form des Ladens wird hauptsächlich für Notfallsicherungssysteme verwendet.

• • Zufälliges Laden: Die oben genannten Ladetechniken sind so, dass der Akku einen kontrollierten Prozess beibehält, bis er vollständig aufgeladen ist. Dieser Ladevorgang umfasst jedoch Automobilanwendungen, bei denen die Energie von der Drehzahl des Motors abhängt, die sich ständig ändert.

Während der Entladung wird erwartungsgemäß die Spannung der Batterie allmählich verringert. Das Entladungsspannungsprofil gegenüber der Zeit hängt von einer Reihe von Elementen ab, einschließlich des Entladestroms, der Temperatur der Batterie, des Alters der Batterie und der Art des Materials, das bei der Herstellung der Anode verwendet wurde.