Eingebauter Li-Ionen-Akku - Aufbau und Funktion

Lithium-Ionen-Batterien wurden erstmals in den 1970er Jahren erfunden und 1991 von Sony kommerziell hergestellt. Heute werden sie in Flugzeugen, Mobiltelefonen und Autos eingesetzt. In diesem Artikel werden wir uns mit dem Aufbau und der Funktionsweise von eingebauten Lithium-Ionen-Batterien befassen.

Wie ist ein Li-Ionen-Akku aufgebaut?

Sony produzierte den ersten wiederaufladbaren lithium-ionen-akku, der auf dem Konzept des elektrochemischen Potentials basiert. Lithium, das am meisten dazu neigt, Elektronen zu verlieren, wird in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Lithium hat nur ein Elektron in seiner Hülle, aus diesem Grund möchte es dieses Elektron immer verlieren. Reines Lithium ist ein hochreaktives Metall. Es reagiert jedoch mit Luft und Wasser.

Der Trick bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, dass das reinste Lithium ein aktives Metall ist. Wenn Lithium jedoch Teil eines Metalloxids ist, ist es sehr stabil. Nehmen wir an, wir trennen die Lithiumatome irgendwie vom Metalloxid. Dieses Lithiumatom ist extrem instabil und bildet sofort Lithiumionen und Elektronen. Lithium als Teil des Metalloxids ist jedoch viel stabiler als dieses. Wenn zwei verschiedene Wege für den Fluss von Lithiumionen und Elektronen zwischen Lithium- und Metalloxiden vorgesehen werden können, erreichen die Lithiumatome automatisch das Metalloxidsegment. In diesem Prozess erzeugen wir Elektrizität aus dem Elektronenfluss über einen Pfad. Aus dieser Diskussion geht hervor, dass wir, wenn wir zuerst die Lithiumatome vom Lithiummetalloxid trennen und dann die wandernden Elektronen von diesen Lithiumatomen durch einen externen Stromkreis leiten, aus dem Lithiummetalloxid Strom erzeugen können.

In tatsächlichen Batterien sind Graphit und Metalloxide mit Kupfer- und Aluminiumplatten bedeckt. Hier können Sie die Blätter als Stromabnehmer und die positiven und negativen Anschlüsse leicht vom Stromabnehmer entfernen. Das Lithiumsalz wirkt als Elektrolyt und ist auf einen Abscheider aufgetragen. Alle drei Blätter sind in einem Zylinder um einen zentralen Stahlkern gewickelt, wodurch die Batterie kompakter wird.

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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Welches Material benötigen Sie, um einen Li-Ionen-Akku zu bauen?

Kathodenmaterialien

Die gebräuchlichsten Materialien, die als Kathode für Li-Ionen-Batterien verwendet werden können, umfassen lithiumkobaltoxid, lithiummanganoxid, Vanadiumoxide und wiederaufladbare Lithiumoxide. Elf bis zwölf Schichtoxide, die Nickel und Kobalt tragen, sind die am häufigsten verwendeten Materialien für Lithiumionenbatterien. Sie haben eine hohe Stabilität im Bereich der Hochspannung, aber Kobalt hat in der Natur eine sehr geringe Verfügbarkeit und ist giftig, was ein großer Nachteil für die Massenfertigung ist. Mangan bietet hervorragende Ratenfähigkeiten und eine kostengünstige Substitution mit einer hohen thermischen Schwelle, aber eingeschränktem Zyklusverhalten. Daher werden üblicherweise Gemische aus Kobalt, Nickel und Mangan verwendet, um die besten Eigenschaften zu kombinieren und die Nachteile zu minimieren.

Anodenmaterialien

Die üblichen Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind Graphit, Lithium, Lithiumlegierungsmaterialien und Silizium. Lithium ist als sehr einfaches Material bekannt, weist jedoch Probleme mit dem dendritischen Wachstum und dem Zyklusverhalten auf, was zu Kurzschlüssen führt. Viele Anstrengungen mit verschiedenen Graphitsorten wurden unternommen, um die Kapazität zu erhöhen, waren jedoch mit den Kosten hoher Verarbeitungspreise verbunden. Silizium hat eine enorm hohe Kapazität von etwa 4.199 mAh / g, zeigt jedoch ein schlechtes Zyklusverhalten und ein noch nicht verstandenes Verblassen der Kapazität.

Elektrolyte

Eine langlebige und sichere Batterie benötigt einen starken Elektrolyten, der vorhandenen Spannungen und hohen Temperaturen standhält, eine lange mittlere Lebensdauer hat und gleichzeitig eine hohe Mobilität für Lithiumionen bietet. Typen umfassen Polymer-, Flüssigkeits- und Festkörperelektrolyte. Meist sind flüssige Elektrolyte lösungsmittelbasierte und organische Elektrolyte, die LiPF6, LiBC4O8 (LiBOB) oder ähnliches enthalten. Ihre Entflammbarkeit ist das Wichtigste. Eine Explosion oder Entlüftung der Zelle und damit der Batterie stellt daher eine Gefahr dar.

Trennzeichen

Der Separator trennt die beiden Elektroden physikalisch voneinander und verhindert so einen Kurzschluss. Im Fall eines flüssigen Elektrolyten wirkt der Abscheider als Schaumstoff, der mit dem Elektrolyten durchtränkt ist und ihn an Ort und Stelle hält.

Wie funktionieren die Komponenten des Li-Ionen-Akkus?

Praktische Lithium-Ionen-Batterien verwenden Elektrolyte und Graphit. Graphit hat eine Schichtstruktur und diese Schichten sind flexibel gebunden, so dass die einzelnen Lithiumionen hier leicht gespeichert werden können. Der Elektrolyt zwischen dem Graphit im Metalloxid dient als Schutz und lässt nur Lithiumionen eintreten.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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Nun wollen wir sehen, was passiert, wenn die Stromversorgung mit dieser Konfiguration verbunden ist. Die positive Elektrode der Energiequelle zieht offensichtlich Elektronen von den Lithiumatomen des Metalloxids an und entfernt sie. Diese Elektronen fließen durch externe Schaltkreise, weil sie nicht durch den Elektrolyten fließen und die Graphitschicht erreichen können. Gleichzeitig werden positiv geladene Lithiumionen vom negativen Anschluss angezogen und fließen durch den Elektrolyten. Lithiumionen erreichten auch den Raum der Graphitschicht und wurden dort eingeschlossen. Wenn alle Lithiumatome auf die Tonerflocken treffen, sind die Blisterpackungen vollständig aufgeladen. Damit haben wir unser erstes Ziel erreicht: Lithiumionen und Elektronen, die durch Metalloxide getrennt sind.

Wie wir bereits besprochen haben, ist dies eine instabile Situation beim Bergsteigen. Nach dem Trennen der Stromquelle und dem Anschließen der Last hoffen die Lithiumionen aufgrund der Spannung, als Teil des Metalls in ihren stabilen Zustand zurückzukehren. Die Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten und der Elektrolyt lädt ihn auf, als wäre er einen Hügel hinuntergerutscht . Auf diese Weise können wir Energie durch die Last liefern.

Beachten Sie, dass Graphit keine Rolle bei der chemischen Reaktion von Lithiumionenbatterien spielt. Graphit ist nur ein Lithium-Ionen-Speichermedium. Wenn die Innentemperatur der Batterie aufgrund abnormaler Bedingungen ansteigt, trocknet der flüssige Elektrolyt aus und es tritt ein Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode auf, der einen Brand oder eine Explosion verursachen kann. Um dies zu vermeiden, wird zwischen den Elektroden eine Isolationsschicht angeordnet, die als Separator bezeichnet wird. Der Separator ist aufgrund seiner geringen Porosität für Lithiumionen durchlässig.