Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

Generell ist die Batterieindustrie immer auf der Suche nach großen Sprüngen in der Energiedichte.

Dies hat dazu geführt, dass ein in den USA ansässiges Team der Ansicht ist, dass es mit einer auf Fluorid basierenden Technologie die zehnfache aktive Leistung der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien bieten kann.

Das verringerte Atomgewicht von Fluor bedeutet im Grunde, dass wiederaufladbare Batterien, die stark auf dem Element basieren, sehr hohe Energiedichten liefern können, die ungefähr zehnmal stärker sein können als die regulären theoretischen Werte für die Technologie von Lithiumionen.

Mittlerweile gelten Fluoride als leistungsstarke Konkurrenten für die nächste Generation von Geräten mit hoher Dichte zur energiespeicherung. Sie sind jedoch durch Temperaturanforderungen begrenzt.

Die stabilen fluoridionenleitenden Batterien funktionieren bei Temperaturen über 150 ° C, damit der Elektrolyt richtig leitet. Dies ist eine bemerkenswerte Schwierigkeit für die normale Zelle.

Darüber hinaus haben alle Festkörperbatterien, die hauptsächlich die Metallanode von Lithium verschmelzen, die Aussicht, die Energiedichteprobleme der herkömmlichen Lithiumbatterien anzugehen

Bis jetzt war ihre Verwendung in praktischen Zellen aufgrund des Übertragungswiderstands von Lithiumionen, der hauptsächlich durch die Instabilität des stabilen Elektrolyten gegenüber den Lithiummetallen verursacht wird, begrenzt.

Darüber hinaus kann der neueste robuste Elektrolyt, der eine sehr hohe Ionenleitfähigkeit und ein hohes Gleichgewicht gegen Lithiummetalle aufweist, ein echter Durchbruch für jede Festkörperbatterie sein, die eine Lithiummetallanode verwendet

Es wird erwartet, dass dieser Fortschritt nicht nur die zukünftigen Bemühungen zur Entdeckung von superionischen Lithiumleitern anregen wird, die auf schwierigen Hydriden basieren, sondern praktisch einen neueren Trend im Bereich der Festelektrolytmaterialien eröffnet, der ebenfalls zur Entwicklung von High führen kann elektrochemische Geräte mit Energiedichte.

Jede Batterie, die einen Festkörper hat, ist tatsächlich ein vielversprechender Kandidat für die Lösung des aktuellen Nachteils der neuesten Lithiumbatterien. Die zu lösenden Probleme umfassen:

· Entflammbarkeit

· Endliche Energiedichte

· Elektrolytleckage usw.

Definition der Energiedichte

Im Allgemeinen ist die Energiedichte das Energievolumen, das tatsächlich in einer bestimmten Masse eines Systems oder sogar einer Substanz gehalten werden kann. Beachten Sie, dass das Energievolumen, das in seiner Masse gehalten wird, umso größer ist, je höher die Energiedichte ist, wenn ein Material oder ein System verdorrt

Grundsätzlich kann Energie in verschiedenen Arten von Systemen und Substanzen gespeichert werden. Dennoch kann ein Material tatsächlich Energie in vier verschiedenen Arten von Reaktionen freisetzen. Die Reaktionen sind:

· Chemikalie

· Elektrochemisch

· Nukleare und;

· Elektrisch

Bei der Berechnung des in einem System verfügbaren Energievolumens wird nur die lebenswichtige oder besser noch extrahierbare Energie gemessen. In allen wissenschaftlichen Gleichungen wird die Energiedichte mit U bezeichnet.

Die Energiedichte wird im Allgemeinen auf zwei Arten ausgedrückt, wobei die erste die beliebteste und häufigste ist. Sie sind:

· Volumetrische Energiedichte

Dies bezieht sich auf die Energiemenge, die in einem System im Vergleich zu seiner Menge enthalten ist. Es wird üblicherweise in Wh / L ausgedrückt, was Wattstunden pro Liter entspricht. Es kann auch in Megajoule ausgedrückt werden.

· Gravimetrische Energiedichte

Dies bezieht sich auf die Energiemenge, die in einem System im Vergleich zu seiner gesamten Masse enthalten ist. Es wird üblicherweise in Wattstunden pro Kilogramm ausgedrückt, dh Wh / kg oder in Megajoule.

Eine sehr hohe Dichte gibt jedoch keine Auskunft darüber, wie schnell diese Energie genutzt werden kann. Wissen ist stattdessen in der Leistungsdichte eines Stoffes enthalten, und dies beschreibt die Geschwindigkeit, mit der die Energie schnell abgegeben werden kann.

Eine hohe Dichte geht auch mit einer geringen Leistungsdichte einher.

Vergleich der Energiedichte in Batteriezellen

Einige der bekannteren Vergleiche der in Batteriezellen verfügbaren Energiedichte umfassen:

· Nickel-Cadmium (NiCD)

Die Batterien reifen aktiv und sind gut verstanden, obwohl ihre Energiedichte vergleichsweise niedrig ist. NiCD wird in Fällen eingesetzt, in denen eine lange Lebensdauer, wirtschaftliche Kosten und eine hohe Entladungsrate von entscheidender Bedeutung sind.

Ihre Hauptanwendungen sind biomedizinische geräte, Funkgeräte, erfahrene Videokameras sowie Elektrowerkzeuge. Sie enthalten jedoch giftige Metalle und sind nicht benutzerfreundlich für die Umwelt.

· Nickelmetallhydrid (NiMH)

Dieser akku hat im Vergleich zu NiCD eine höhere Energiedichte, selbst auf Kosten einer verkürzten Lebensdauer. NiMH hat kein giftiges Metall. Zu seinen Anwendungen gehören Laptops und Mobiltelefone.

· Bleisäure

Diese sind am wirtschaftlichsten in Fällen für größere Leistungsanwendungen, bei denen das Gewicht von geringer Bedeutung ist. Sie sind die bevorzugte Wahl für Rollstühle, Notbeleuchtung, USV-System und Krankenhausausrüstung.

· Lithium-Ionen

Sie sind die am schnellsten wachsenden Batteriesysteme auf dem Markt. Lithiumbatterien werden in Fällen eingesetzt, in denen eine hohe Energiedichte und ein geringes Gewicht von entscheidender Bedeutung sind. Obwohl seine Technologie zerbrechlich ist, wird eine Schutzschaltung benötigt, um die Sicherheit zu gewährleisten. Die meisten Anwendungen finden sich auf Mobiltelefonen und Notebooks.

Maximale theoretische Batterieenergiedichte

Die Energiedichte, die wiederaufladbare Batterien benötigen, um ein Elektrofahrzeug mit einer Reichweite von 300 Meilen sogar mit einer bestimmten Ladung anzutreiben, beträgt ungefähr 600 Wh / kg. Lithiumbatterien können diesen Bedarf jedoch derzeit nicht decken.

Technisch ist keine Grenze für die Energiemenge bekannt, die auf engstem Raum gespeichert werden kann. Nichtsdestotrotz haben Batteriewissenschaftler eine Metrik, die als maximale theoretische spezifische Energie bekannt ist.

Derzeit sind lithium-ionen-batterien die energiedichtesten Batterien, die Sie auf dem Markt kaufen können. Sie liegen praktisch im Bereich von 100 bis 200 Wh / kg.

Zum Abschluss

Grundsätzlich wird angenommen, dass das Lithiummetall aufgrund seiner hohen theoretischen Kapazität von etwa 3860 mAh g-1 und seiner niedrigsten Aussicht von etwa -3,04 V gegenüber der Standardwasserstoffelektrode das signifikante Anodenmaterial für jede Festkörperbatterie ist.

Nichtsdestotrotz sind Lithiumionen leitende robuste Elektrolyte aufgrund der Ionenleitfähigkeit und des Ausgleichs des robusten Elektrolyten, der die Leistung dieser Batterien bestimmt, ein Hauptmerkmal jeder Festkörperbatterie.