Die Wissenschaft hinter der Lithium-Ionen-Batterie: Chemische Gleichung!

Um 1912 begann ein Wissenschaftler namens GW Lewis mit der Arbeit an Batterien, die mit Lithium betrieben wurden. Zu diesem Zeitpunkt entstand das Konzept. Sie wurden jedoch erst Anfang der 1970er Jahre offiziell eingeführt. Die Anode in diesen Batterien besteht aus Lithium.

Sie haben eine lange Lebensdauer, verursachen aber auch höhere Kosten pro Einheit. Es gibt sechs verschiedene Arten von Lithium-Ionen, die in verschiedenen Batterien verwendet werden. Alle haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Am besten geeignet ist jedoch lithiumeisenphosphat (LiFePO4). Diese Elektrode ist sicher zu verwenden und missbrauchstolerant. Dies bietet auch eine lange Lebensdauer und eine gute Wärmebilanz. Sie werden normalerweise in Handheld-Geräten verwendet. Die andere in diesen Batterien verwendete Elektrode besteht aus Graphit. Ihre hohe Ladungsdichte unterscheidet sie von den Alkalibatterien. Sie können eine Hochspannung von 1,5 V bis fast 3,7 V erzeugen. Die Spannung ist lithiumabhängig. Der entscheidende Faktor für die Spannung ist die Qualität des verwendeten Lithium-Ions und das Design der Batterie. Wir werden die in Lithiumbatterien verwendeten chemischen Gleichungen in diesem Artikel weiter diskutieren.

Es gibt Millionen von Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien. Die häufigsten davon sind auf dem Gebiet der Medizin. Sie werden auch in persönlichen Assistenten eingesetzt. Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist endlos. Wie PDAs, Blutdruck- / Diabetesmessgeräte und viele andere tragbare Geräte. Im Vergleich zu den Alkalibatterien sind diese Batterien teurer. Aber der Bonus eines langen Lebens macht sie die wenigen zusätzlichen Dollar wert, die wir bezahlen müssen. Sie können auch überholt werden und sind langlebig.

Der Vorteil einer Lithiumbatterie besteht darin, dass sie keine schädlichen Gase wie Sauerstoff und Wasserstoff ausstößt. Lithiumbatterien fördern außerdem eine starke molekulare Bindung zwischen ihren Ionen. Das gibt ihnen die Signatur lange Lebensdauer und thermische Balance. Diese Batterien können Energie aufnehmen, die fast drei oder vier Alkalibatterien entspricht. Dennoch ist es tragbar und kompakt. Dies gibt ihm einen Vorteil gegenüber den anderen verfügbaren Batterien.

Die Hauptfrage ist also, wie eine so kleine Batterie ein so großes Kraftpaket in sich birgt. Die Antwort ist ziemlich einfach. Eine Lithium-Ionen-Batterie verfügt über komplexe chemische Gleichungen. Versuchen wir, diese Gleichungen in der nächsten Überschrift besser zu verstehen.

Wie ist die chemische Reaktion in einer Lithium-Ionen-Batterie?

Lithium-Ionen-Batterien enthalten Lithium [Li +] -Ionen. Sie sind an allen Reaktionen in den Lithium-Ionen-Batterien beteiligt. In allen Batterietypen befinden sich zwei Elektroden. Wird als Anode und Kathode bezeichnet. In einer Lithium-Ionen-Batterie bestehen beide Elektroden aus Materialien, die Lithium-Ionen leicht interkalieren können. Dies bedeutet, dass beide in der Lithium-Ionen-Batterie vorhandenen Elektroden aus Materialien bestehen sollten, die Lithiumionen absorbieren können.

In einfachen Worten bedeutet Interkalation, geladene Ionen in einem Material zu halten, ohne die Eigenschaften der Ionen zu stören. Hierbei ist zu beachten, dass das Wirtsmaterial die Eigenschaften des Ions nicht stören sollte.

Wenn es sich um ein Lithium-Ion handelt, sind die Ionen innerhalb der Grenzen einer Anode mit einem Elektron verbunden. Wenn die Batterie entladen wird, werden die absorbierten Ionen von der Anode freigesetzt. Und dann schwimmen die Lithiumionen durch den Elektrolyten zur Kathode.

Der Lithium-Ionen-Akku beginnt seinen gesamten Lebenszyklus mit dem Entladen. Die Lithiumionen sind alle in der Kathode interkaliert und ihre Chemie ist nicht weit genug fortgeschritten, um selbst Strom zu erzeugen. Aus diesem Grund müssen Sie einen Akku vollständig aufladen, bevor Sie ihn verwenden können. Sobald die Batterie aufgeladen wird, tritt an der Kathode eine Oxidation auf, und dies ist der Grund, warum sie einen Teil ihrer geladenen Ionen verliert. Jetzt sind die negativen Ionen im Elektrolyten im Überfluss vorhanden. Um ein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, werden einige positiv geladene interkalierte Lithiumionen im Elektrolyten freigesetzt. Alle diese Ionen wandern dann zur Anode und interkalieren mit dem Graphit.

Wenn sich die Batterie zu entladen beginnt, kehren die Lithiumionen den gesamten oben beschriebenen Prozess um. Alle Lithiumionen entkalken von der Anode und gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode. Diese Reaktion setzt die Elektronen frei, die an die Anode gebunden waren. Dies erzeugt einen externen Energiedraht, der es der Batterie ermöglicht, tatsächliche Arbeiten auszuführen. Wenn sich die Elektronen bewegen, werden hier alle negativen und positiven Ionen mit der Bewegung ausgeglichen.

Wenn alle Ionen zur Kathode zurückkehren, kommen alle Reaktionen zum Stillstand. Und der Akku wird entladen und leer. Wenn wir die Batterie aufladen, beginnt der gesamte Vorgang erneut und die Batterie erzeugt Strom.

Wie lautet die Formel eines lithium-ionen-akkus?

Die Reaktionen in einer Lithium-Ionen-Batterie sind nicht sehr komplex. Aber sie sind nicht sehr einfach zugleich. Das bekannteste in einem Lithium-Ionen-Akku verwendete Ion ist das Lithium-Cobalt-Ion (LiCoO2).

Die Reaktionen, die in einer Batterie mit LiCoO2-Ionenkathode und einer Graphitanode stattfinden, sind wie folgt:

LiCoO2 + C? Li1-xCoO2 + LixC

Die Doppelpfeile hier repräsentieren die reversible Reaktion. Der Vorwärtspfeil zeigt das Laden an und der Rückwärtspfeil zeigt das Entladen an.

Die Reaktion, die an der positiven Elektrode auftritt:

LiCo3 + O2? xLi + + Li1-xCo4 + xCo3 + 1-xO2 + e-

Die Reaktion, die an der negativen Elektrode stattfindet:

C + xLi + + e-? LixC

Wie wird ein Lithium-Ionen-Akku hergestellt?

Die Bildung von Lithium-Ionen-Batterien erfolgt in folgenden Schritten:

• Als erstes bereiten Sie die Dinge vor, aus denen eine Elektrode besteht.

• Der zweite Schritt besteht darin, die Rohstoffe in eine tatsächliche Elektrode umzuwandeln.

• Dann findet die Bildung eines Elektrolyten statt.

• Die Ionen werden dann geladen.

• Alle Komponenten einer Batterie werden dann zu einer Batterie zusammengefügt.

• Die Batterie wird dann mit zylindrischen Abdeckungen abgedeckt.

Die Batterie wird dann auf Sicherheit geprüft.