Li-Ionen-Batteriematerialien Gegenwart und Zukunft

In den letzten Jahren waren Lithium-Ionen-Batterien die Hauptenergiequelle für die meisten unserer tragbaren elektronischen Geräte. Dann gibt es jedoch verschiedene Einschränkungen für ihre Anwendung, insbesondere bei einigen elektrischen Transportmitteln oder bei höheren Anwendungen. In unserem heutigen Beitrag werden wir die Entwicklung und die Zukunft von Lithium-Ionen-Batterien diskutieren.

Zum größten Teil haben Beschichtung und Elementdotierung die meisten Elektrodenmaterialien verändert, die üblicherweise in Anoden- oder Kathodenmaterialien von Batterien verwendet werden. Dies hat zu einer ziemlich hohen Diffusionsfähigkeit von Li-Ionen, Leitfähigkeit und Mobilität geführt, abgesehen von der spezifischen Kapazität. Es gibt neue Elektrodenmaterialien, von denen viele Berichten zufolge eine verbesserte Leistung liefern. Diese Leistungen wurden anhand einiger Parameter analysiert, einschließlich, aber nicht beschränkt auf spezifische Kapazität, zyklische Stabilität, Lade- / Entladerate und spezifische Energie. Folglich ist das vorliegende Szenario der Elektrodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien sehr vielversprechend, da es verspricht, die Leistung der Batterie zu verbessern und sie dadurch noch effizienter zu machen. Diese Entwicklung wird sicherlich die Abhängigkeit und Dominanz fossiler Brennstoffe verringern, insbesondere bei der Stromerzeugung (zum Beispiel bei der Verbrennung von Kohle zur Stromerzeugung).

Welche Materialien enthält eine Lithium-Ionen-Batterie?

Die Komponenten einer Batteriezelle umfassen eine komplexe Versorgung mit einer Menge und meistens einer nicht verwandten Gruppe von Produkten. Und eine der Materialgruppen, die eine herausragende Rolle spielt, sind die Nichteisenmineralien und Metalle.

Es gibt mehrere wichtige Materialgruppen, darunter Anodenmaterialien, Kathodenmaterialien, Separatoren und Stromkollektoren, Elektrolyte und viele mehr. Im Allgemeinen werden Li-Ionen-Batterien hauptsächlich durch ihre Kathodenchemie spezifiziert. Es kann alternative Chemikalien oder spezielle Formulierungen innerhalb verschiedener Batteriebereiche geben, und diese geben diesen Batterien besondere Optionen für Leistung, Sicherheit, Energie und sogar Kosten und werden häufig für spezielle und unterschiedliche Anwendungen hergestellt.

Die in Lithium-Ionen-Batterien am häufigsten enthaltenen Nichteisenmetalle und Mineralien sind Kobalt, Mangan, Nickel, Lithium, Graphit, Aluminium und Kupfer. Wenn die ersten vier hauptsächlich als Materialien für die Kathode verwendet werden, kann Lithium auch als Elektrolyt verwendet werden. Folglich kann es spezielle Entwicklungen für Kathoden und Kollektoren geben, insbesondere für das verwendete Nichteisenmetallmaterial, aber für die Anode wird meistens Graphit verwendet.

Der Schwerpunkt liegt zunehmend auf xEV, und auf den ESS-Märkten (wenn auch in geringerem Maße) ändern sich die Materialanforderungen etwas. Dies ist offensichtlich bei Kathodenmaterialien zu beobachten, da sich der Markt von der LCO-Kathode mit hohem Kobaltgehalt, die in der tragbaren Elektronik charakteristisch ist, zu den nickelreicheren Produkten - NMC - verlagert, aber auch NCA ist gefragt. In China wird heute ein weiteres xEV-Material angefordert, und das ist das LFP. Obwohl die Nachfrage danach im Vergleich zu NCA und NMC jetzt etwas an Boden verliert. LFP ist jedoch für ESS- und HEV-Anwendungen weiterhin günstig.

Wie wir festgestellt haben, verschiebt sich die Nachfrage nach Materialien. Zum Beispiel kann Kobalt aufgrund der Abhängigkeit von LCO-Materialien mit hohem Kobaltgehalt für die Kathode möglicherweise nicht wie gewünscht sein, insbesondere im nächsten Jahrzehnt, trotz der starken Leistung von NCA- und NMC-Kathoden. Wie Sie vielleicht gewusst haben, enthalten diese Kobalt, aber der Kobaltbestandteil hat ein sehr geringes Volumen. Obwohl sich der Lithiumverbrauch im Basisfall im Jahr 2025 auf 170 kt verdreifacht haben könnte, könnte sich die Nachfrage nach Kobalt nur auf etwa 57 kt verdoppeln.

Welche Lithiumionen werden in Batterien verwendet?

Die Verwendung des Begriffs "lithiumbatterien" bezieht sich auf eine Familie verschiedener Batterien der Lithium-Metall-Chemie, die verschiedene Arten von Elektrolyten und Kathoden umfasst, aber alle metallisches Lithium an ihrer Anode aufweisen. Diese Batterien benötigen etwa 0,15 kg bis 0,3 kg pro kWh Lithium. Diese Primärsysteme sind so ausgelegt, dass sie geladene Kathoden verwenden, die elektroaktiv sind und kristallographische Leerstellen aufweisen, die während der Entladungen allmählich gefüllt werden.

Eine der häufigsten Arten von Lithiumzellen, die in den meisten Verbraucheranwendungen verwendet werden, verwendet metallisches Lithium an ihrer Anode und dann Mangandioxid an ihrer Kathode. Dann gibt es ein Lithiumsalz, das in dem organischen Lösungsmittel gelöst ist.

Um die Leistung der Lithium-Ionen-Zellen in ihrem Produkt zu optimieren, verwenden einige Hersteller Elektrolytlösungen, die aus organischen Lösungsmitteln wie LIPF6-Salz und mehreren anderen Additiven bestehen. Dies wird von vielen Herstellern und Forschungszentren durchgeführt, um Lithium-Ionen-Zellen für verschiedene Batterieanwendungen von Elektrofahrzeugen bis hin zur Unterhaltungselektronik herzustellen.

Die Entwicklung und Zukunft von Lithium-Ionen-Batterien

Es ist kein Geheimnis, dass der lithium-ionen-akku seit 1991, als er erstmals für den kommerziellen Einsatz eingeführt wurde, ein großer Erfolg war und eine Vielzahl von Elektronik- und Industrieanwendungen mit Strom versorgte. Seit dieser Zeit wurden ernsthafte Untersuchungen durchgeführt, um die Leistung und Produktivität dieser Batterien zu verbessern.

Heute sind Lithium-Ionen-Batterien fast unverzichtbar, insbesondere wenn wir das Leben und die Anwendung von Menschen in unserer modernen Gesellschaft betrachten. Wir können Lithium-Ionen-Batterien leicht als eine dominierende Technologie bezeichnen, die in verschiedenen tragbaren elektronischen Geräten, einschließlich Smartphones, Tablets, Laptops, Kinderspielzeug und vielem mehr, industriell weit verbreitet ist.

Darüber hinaus können wir Lithium-Ionen-Batterien als die am meisten bevorzugte Option bezeichnen, wenn wir über die neu entstehenden Sektoren wie die der Elektroautos sprechen.

Obwohl wir uns alle einig sind, dass die Lithium-Ionen-Technologie im Bereich der Stromversorgung, insbesondere im Bereich der Photovoltaik und der Windkraft, bislang unterausgenutzt bleibt, hat sie immer noch ein enormes Potenzial bei der Bekämpfung der Kohlenstoffemissionen weltweit und kann auch dazu beitragen Energie Nachhaltigkeit.

Lithium-Ionen-Batterien können leicht als Batterien betrachtet werden, die die Welt verändern können. Diese Batterien sind heute die Wahl der Energie, die in unzähligen Unterhaltungselektronik- und Tesla-Elektrofahrzeugen sowie in vielen anderen globalen Konglomeraten verwendet wird.

Obwohl diese Batterien versprechen, der Welt zu helfen, ihre Herausforderung in Bezug auf Energie und Nachhaltigkeit in Zukunft zu lösen, müssen einige ihrer Schwächen noch behoben werden.

Beispielsweise ist bei Verwendung von Lithiummetallelektroden die erzeugte Energiedichte höher als bei herkömmlichen Batterien. Lithiummetallelektroden können jedoch möglicherweise Dendriten entwickeln, die fingerförmige Strukturen aufweisen und hauptsächlich für den Kurzschluss in der Batterie verantwortlich sind.

Dieses Problem wurde durch die Verwendung einer Kohlenstoffelektrode gelöst, die Lithiumionen anstelle von Lithiummetallelektroden enthält. Dies führt zu Lithium-Ionen-Batterien, obwohl ihre Energiespeicherkapazität im Vergleich zu einer Lithium-Metall-Elektrodenbatterie verringert wurde. So kann die Erhöhung der Energiespeicherkapazität verbessert werden.