Wie effizient sind Lithium-Ionen-Batterien?

Ein Lithium-Ionen-Akku ist ein Akku. Die Lithium-Ionen-Batterien sind überall zu finden, insbesondere in Verbraucheranwendungen wie Laptops, Smartphones usw. und Elektrofahrzeugen. Alles dank den großartigen Eigenschaften des Akkus wie geringer Selbstentladung, hoher Energiedichte und keinem Memory-Effekt. All diese Eigenschaften machen die Lithiumbatterie zu einer besseren Option als andere auf dem Markt erhältliche Batteriechemikalien.

Mit der Zeit verliert der Li-Ionen-Akku, der Ihre Anwendung stunden- oder sogar tagelang mit Strom versorgt, allmählich die Kapazität, um eine Ladung zu halten. Haben Sie sich jemals gefragt, warum dies passiert? Es kann mehrere Gründe geben, warum Lithium-Ionen-Batterien ineffizient werden.

In diesem Beitrag helfen wir Ihnen zu verstehen, was die Lithium-Ionen-Batterien wirklich schwächt. Bevor Sie es wissen, lernen Sie zunächst die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien kennen.

Was ist die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Batterien, die erstmals in den 1960er Jahren eingeführt wurden, entstanden, als Bell Laps eine funktionsfähige Graphitanode einführte, um eine Alternative zu Lithium-Batterien (Lithium-Metall) anzubieten. Der erste kommerzielle Li-Ionen-Akku wurde von Sony hergestellt. Danach haben verbesserte Materialentwicklungen und -technologien zu bemerkenswerten und enormen Verbesserungen der Energiedichte und der Lebensdauer geführt.

Der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Batterien liegt bei fast 100 Prozent. Dies ist der größte Vorteil gegenüber anderen auf dem Markt erhältlichen Batterietechnologien.

lithium-ionen-akkus verfügen über eine schnelle Entlade- und Ladezeitkonstante, die als Zeit bezeichnet wird, um 90 Prozent der Nennleistung des Akkus zu erreichen, die etwa 200 ms beträgt, sowie einen hohen Umlaufwirkungsgrad von 78 Prozent innerhalb von 3500 Zyklen. Es ist kein Geheimnis, dass der Li-Ionen-Akku zur wichtigsten Speichertechnologie geworden ist, insbesondere im Bereich tragbarer und mobiler Anwendungen, z. B. Elektrofahrrad, Handy, Laptop, Elektrokarte und vieles mehr.

Was schwächt Lithium-Ionen-Batterien wirklich?

Wenn Sie sich fragen, was die Lithium-Ionen-Batterien kaputt macht, gibt es eine Reihe von Faktoren. Sprechen wir also ausführlich darüber.

Der aktive Teil der Kathode (Quelle für Lithiumionen) ist mit einer bestimmten Atomstruktur für Leistung und Stabilität ausgelegt. Wenn Ionen entfernt, zur Anode hinüberbewegt und danach wieder in die Kathode eingeführt werden, sollten sie idealerweise an die Stelle zurückkehren, an der sie entfernt wurden, um diese anständige stabile Kristallstruktur aufrechtzuerhalten. Das Problem ist jedoch, dass sich die Kristallstruktur mit jeder Entladung und Ladung ändern kann. Daher kann es sein, dass ein Ion nicht an dieselbe Stelle zurückkehrt. Allmählich verändern diese Änderungen und Modifikationen im Material die Kathode in eine völlig neue Kristallstruktur zusammen mit unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften.

Daher wurde die spezifische Atomanordnung, die überhaupt die gewünschte Leistung und Stabilität ermöglichte, geändert.

Korrosionsproblem

Eine Verschlechterung kann auch in anderen Teilen der Batterie auftreten. Jede Elektrode ist mit einem Stromkollektor ausgestattet, der aus einem Stück Metall besteht (im Allgemeinen Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode), das die Elektronen sammelt und an einen externen Stromkreis sendet.

Wenn das Bindemittel nicht mehr funktioniert, kann die Beschichtung den Stromkollektor ablösen. Und wenn das Metall korrodiert, kann es keine Elektronen wie beabsichtigt senden. Korrosion tritt innerhalb der Batterie aufgrund einer Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten auf. Einer Studie zufolge wird gezeigt, dass die Graphitanode extrem "reduziert", dass sie Elektronen leicht an den Elektrolyten abgibt, und dass die Kathode stark "oxidiert", dass sie Elektronen leicht vom Elektrolyten aufnehmen kann. Infolgedessen kann es den Stromkollektor aus Aluminium angreifen oder es kann sich eine Beschichtung auf den Kathodenpartikeln bilden.

Zu anständig

Graphit ist das häufig verwendete Material zur Herstellung einer Anode. In einem organischen Elektrolyten ist es thermodynamisch instabil. Dies bedeutet, dass der Graphit beim ersten Laden der Batterie mit dem Elektrolyten reagiert und dies zur Bildung einer porösen Schicht führt, die als Festelektrolytzwischenlage oder SEI bezeichnet wird.

SEO ist ein leider instabiler Verteidiger. Zweifellos ist es eine anständige Aufgabe, den Graphit bei optimalen oder Raumtemperaturen zu schützen. Bei hohen Temperaturen oder wenn der Lithium-Ionen-Akku auf Null geladen wird, kann sich der SEI teilweise im Elektrolyten auflösen.

Energieeffizienzbewertung einer stationären Lithium-Ionen-Batterie

Energieeffizienz ist ein bemerkenswerter Leistungsindikator, wenn es um Batteriespeichersysteme geht. Ein umfassendes elektrothermisches Modell eines stationären Lithium-Ionen-Batteriesystems wird entwickelt und eine Bewertung seiner Energieeffizienz durchgeführt.

Das Modell bietet einen ganzheitlichen Ansatz zur Messung von Umwandlungsverlusten und Hilfsenergieverbrauch. Untermodelle für Leistungselektronik, Wärmemanagement, Batterierack sowie die Steuerungs- und Überwachungsteile werden entwickelt und in ein umfassendes Modell integriert. Die Nachahmung erfolgt anhand eines Prototyps eines 192-kWh-Systems unter Verwendung von lithium-eisenphosphat-batterien, die an das Niederspannungsnetz angeschlossen sind.

Die wichtigsten Verlustmechanismen werden ermittelt, gründlich untersucht und modelliert. Ferner werden generische Profile mit zahlreichen Systembetriebsarten geschätzt, um die Merkmale stationärer Batteriesysteme zu bestimmen. Normalerweise überwiegen die Verluste in der „Leistungselektronik“ die Batterieverluste bei Betriebssystemen mit geringem Stromverbrauch. Der Umwandlungsumlaufwirkungsgrad wird im Bereich von 70 bis 80 Prozent gemessen. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems ist bei Photovoltaik-Batterieanwendungen um 8 bis 13% niedriger.

Das hängt davon ab, wie effizient Lithium-Ionen-Batterien sind. Denken Sie daran, dass die Lebensdauer des Akkus stark davon abhängt, wie Sie ihn pflegen.