Aufbau und Arbeitsweise der Lithium-Ionen-Batterieforschung

Was ist der Aufbau von Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Batterien werden aus sogenannten Zellen hergestellt. Jede Zelle davon besteht aus drei Komponenten; eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine chemische Komponente, die als Elektrolyt zwischen der positiven und der negativen Elektrode bezeichnet wird.

Die positive Elektrode in der Zelle besteht aus Lithium-Kobalt-Oxid. Die negative Elektrode besteht aus Graphit. Die Elektrolyte sind wie Oxide und Sulfide. Der Elektrolyt muss eine lange Haltbarkeit haben und eine hohe Mobilität für Lithiumionen bieten. Der Elektrolyt kann flüssig, polymer und fest sein.

Wie funktioniert eine Lithiumbatterie?

Lithium-Ionen-Batterien haben den gleichen Arbeitsmechanismus. Wenn die Batterie geladen wird, gibt das Lithium-Kobaltoxid "die positive Elektrode" einen Teil seiner Lithiumionen ab, diese Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode "dem Graphit" und sinken dort ab. Die Batterie speichert während dieses Vorgangs Energie. Nach dem Ladevorgang und während des Entladens; Die Lithium-Ionen wandern wieder über den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode zurück, was wiederum Energie erzeugt, die das Gerät antreibt, an das die Batterie angeschlossen ist.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien verfügen Lithium-Ionen-Batterien über integrierte elektronische Steuerungen. Diese Steuerungen regeln das Laden und Entladen der Batterien. Diese Steuerungen verhindern eine Überladung und Überhitzung, die in einigen Fällen zur Explosion von Lithium-Ionen-Batterien führen kann.

Während des Lade- und Entladevorgangs in den Lithium-Ionen-Batterien fließen Elektronen in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung der Ionen um den äußeren Stromkreis. Es ist wichtig zu beachten, dass Elektronen nicht durch den Elektrolyten selbst fließen. Der Elektrolyt ist effektiv eine isolierende Barriere und beeinflusst die Bewegung der Elektronen nicht.

Ionenbewegung im gesamten Elektrolyten und Elektronen, die sich in entgegengesetzter Richtung um den externen Stromkreis bewegen, sind zwei miteinander verbundene Prozesse. Wenn eine dieser Bewegungen stoppt, stoppt auch die andere. Wenn die Batterie vollständig entladen ist und sich keine Ionen mehr durch den Elektrolyten bewegen, bewegen sich die Elektronen gleichzeitig nicht mehr durch den äußeren Stromkreis. Aus diesem Grund verlieren Sie die Stromversorgung Ihres Geräts.

Die Entladung erfolgt mit hoher Geschwindigkeit, wenn das mit dem Lithium-Ionen-Akku betriebene Gerät eingeschaltet ist. Die Entladung erfolgt jedoch auch dann, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Das ist ein Nachteil für die Lithium-Ionen-Batterien.

Um zusammenzufassen, wie Lithium-Ionen funktioniert, ist es wie folgt:

• Während des Ladens fließen Lithiumionen im gesamten Elektrolyten von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode.

• Elektronen fließen auch von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode um den äußeren Stromkreis.
  

• Elektronen und Ionen verbinden sich an der negativen Elektrode und lagern dort Lithium ab.
  

• Wenn keine Ionen mehr zum Fließen vorhanden sind, ist der Akku vollständig aufgeladen und kann verwendet werden.
  

• Während des Entladevorgangs fließen die Ionen durch den Elektrolyten zurück. Rückfluss von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Die Elektronen fließen von der negativen zur positiven Elektrode, jedoch im gesamten äußeren Stromkreis. Dieser Vorgang versorgt Ihr Gerät mit Strom.
  

• Wenn alle Ionen in der Batterie zurückbewegt werden, ist die Batterie vollständig entladen und muss erneut aufgeladen werden.
  

Wie macht man einen Lithium-Ionen-Akku?

Das Erstellen eines Li-Ionen-Akkus erfolgt in wenigen einfachen Schritten:

Elektrodenvorbereitung

• In diesem Schritt wird das Material, das auf die Anode und die Kathode aufgetragen wird, gemischt und hergestellt.

• Rohe metallische Materialien, hauptsächlich Aluminium, werden in die Beschichtungsmaschine geladen.
  

• Anschließend werden dünne Schichten aus Lithium und Kohlenstoff aufgebracht und der Maschine hinzugefügt.
  

• Durch einen kontinuierlichen Prozess wird das Material einem Ofen zugeführt, in dem Kohlenstoff behandelt wird.
  

• Nach dem Ofenprozess wird das Produkt zwei getrennten Leitungen zugeführt, in denen die Anode und die Kathode mit jeweils einer eigenen Leitung hergestellt werden.
  

• Nachdem die Elektroden (Anode und Kathode) hergestellt wurden, werden sie einer Maschine zugeführt, wo sie zu dünnen Schichten zusammengedrückt werden, damit sie faltbarer sind.
  

• Der letzte Schritt dieses Prozesses ist der Schneidprozess, bei dem die Elektroden auf die vom Hersteller angegebene Breite geschnitten werden.
  

Elektrodenerzeugung

• Bei diesem Vorgang werden die Elektroden entnommen und auf die richtige Größe gerollt.

• Sobald die Anode und die Kathode auf die perfekte Größe zugeschnitten sind, werden sie in Paaren von genau gleichen Größen zusammengefügt.
  

• Danach wird eine dünne Schicht zwischen ihnen eingefügt (der Separator).
  

• Die gesamten drei Schichten (Anode, Kathode und Separator) werden in einer halbautomatischen Maschine zusammengefaltet.
  

Elektrolytinsertion

• Nach dem Vorbereiten der Elektroden im vorherigen Schritt. Gehäuse für sie ist gemacht.

• Zur Herstellung des Gehäuses für die Elektroden werden Kunststoffe oder PVC-Materialien verwendet.
  

• Die Elektroden werden dann in diese Gehäuse eingeführt.
  

• Sie werden an drei Seiten thermisch zusammengeschweißt, während die vierte Seite offen bleibt.
  

• Über die offene Seite wird der Elektrolyt in den gesamten Aufbau eingeführt.
  

• Danach wird die offene Seite versiegelt.
  

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Jetzt haben Sie einen Li-Ionen-Akku, der zum ersten Aufladen bereit ist.

Es gibt jedoch einige Herausforderungen bei der Herstellung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie. Die Kosten für die Herstellung von Li-Ionen-Batterien in großem Maßstab sind so hoch, dass Hersteller diesen Traum nicht schneller suchen können.

Wenn wir uns den Automobilmarkt und Elektrofahrzeuge ansehen, sind die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien viel höher als von diesem Markt akzeptiert. Es ist so hoch, dass Elektrofahrzeuge noch nicht den Punkt erreicht haben, konventionelle Autos zu ersetzen. Sie sind immer noch teurer.

Kostensenkung ist durch die sogenannte Optimierung von Fertigungsschemata möglich.

Eine weitere Möglichkeit zur Kostenreduzierung ist der Ersatz des NMP-Elektrolyten in den Li-Ionen-Batterien durch Wasser. Die Kosten für Wasser als Lösungsmittel sind im Vergleich zur NMP-Verbindung vernachlässigbar. Darüber hinaus ist Wasser weder brennbar noch hat es brennbare Dämpfe, was es zur sichereren Wahl als das NMP macht. Das Problem, mit dem die Hersteller bei Wasser konfrontiert sind, besteht darin, dass Wasser ein polares Lösungsmittel ist und dass in der Batterie ein unpolares Lösungsmittel wie das NMP benötigt wird. Die Herstellung von Wasser zu einem unpolaren Lösungsmittel kann jedoch über einige chemische Reaktionen und Additive erfolgen.

Die Forschung konzentriert sich nun darauf, wie die Kosten der Li-Ionen-Batterien gesenkt werden können. Wir gehen davon aus, dass die Zukunft große Erwartungen hat und die Kosten nahezu so gering sein werden, dass Li-Ionen-Batterien überall eingesetzt werden, von der einfachen Fernbedienung bis zum Flugzeug.