Anode und Kathode in Lithium-Ionen-Batterien - Arbeiten, chemische Reaktionen und Materialien

In diesem schnell wachsenden Zeitalter der Technologie, umgeben von elektronischen Geräten und Ausrüstungen, sind Batterien sehr wichtig geworden. Diese Batterien steuern fast alle Aspekte unseres täglichen Lebens und es gibt verschiedene Arten von Batterien, die ihre Rolle spielen. Batterien sind elektrochemische Geräte, die mithilfe der Chemie elektrische Energie erzeugen. Batterien bestehen aus zwei Teilen, nämlich Kathode und Anode. Die Kathode ist ein Metalloxid und die Anode besteht aus Kohlenstoff oder Graphit. Kathode und Anode spielen eine wichtige Rolle bei den chemischen Reaktionen, die eine elektrische Leistung erzeugen.

Wie funktionieren Anode und Kathode in Lithium-Ionen-Batterien?

Wie bei jeder anderen elektrolytischen Reaktion ist die Reaktion im Inneren der Lithium-Ionen-Batterie dieselbe. Ein Ionenaustausch findet zwischen der Anode und der Kathode mit Hilfe von Material dazwischen, dem Elektrolyten, statt.

Während des Entladezustands der Batterie wandern Lithiumionen über einen Elektrolyten von der Anode (negative Elektrode) zur Kathode (positive Elektrode). Während des Ladevorgangs der Lithium-Ionen-Batterie wandern Ionen von der Kathode (positive Elektrode) zur Anode (negative Elektrode).

Die Kathode von Lithium-Ionen-Batterien besteht aus einer interpolierten Lithiumverbindung, Lithium-Mangan-Dioxid. Die Anode besteht stereotyp aus Kohlenstoff. Während der Entladephase der Batterie tritt an der Anode eine Oxidationsreaktion auf, die Lithiumionen (positiv), Elektronen (negativ) und einige Nebenprodukte an der Anode erzeugt. Lithiumionen und die Elektronen werden durch die Elektrolyte übertragen, die sich dann in einer Reduktionsreaktion an der Kathode wieder vereinigen.

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Der Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batterie ist eine Kombination von Lithiumsalzen. Der externe Schaltkreis bietet einen Leitfähigkeitspfad für Lithiumionen und Elektronen, die während der Reaktion erzeugt werden. Der Elektrolyt selbst wird nicht in die Batteriereaktionen einbezogen. Die Reaktionen, die während des Entladungsprozesses auftreten, verringern die chemische Leistung der Zelle, die wiederum elektrische Energie für jede Last bereitstellt, die über die externen Schaltkreise mit ihr verbunden ist. Während des Ladevorgangs werden alle diese Schritte umgekehrt. In diesem Stadium liefert die externe Schaltung elektrische Energie für den Start des Ladevorgangs und diese elektrische Energie wird in Form von chemischer Energie (die durch Reaktionen erhalten wird) in der Zelle gespeichert.

Was ist die chemische Reaktion in Lithium-Ionen-Batterien?

1. Halbzellreaktionen

a.Anodenreaktion (während der Batterieentladung):

An der Anode wird Lithium von Li zu Li + oxidiert. Bedeutet, dass sich die Oxidationsstufe von 0 auf +1 ändert. Die laufende chemische Reaktion an der Lithium-Graphit-Anode wird symbolisch dargestellt als:

LiC6 C6 + Li + + e–

Kathodenreaktion (während der Batterieentladung):

Diese Lithiumionen von der Anode wandern über einen Elektrolyten zum Medium zur Kathode. Hier bauen sie sich in Lithiumkobaltoxid ein. Und hier reduziert es Kobalt von +4 auf +3 Oxidationsstufe. All diese an der Kathode ablaufenden Reaktionen werden symbolisch dargestellt als:

CoO2 + Li + + e- LiCoO2 (s)

2. Gesamtreaktion (bei Batterieentladung)

Diese chemischen Reaktionen treten auf, wenn sich die Batterie entlädt. Die gesamte chemische Reaktion wird symbolisch dargestellt als:

LiC6 + CoO2 C6 + LiCoO2

3. Chemische Reaktion (beim Aufladen der Batterie):

Beim Aufladen der Batterie oder einer Zelle treten alle diese Reaktionen umgekehrt auf. Dies bedeutet, dass die Lithiumionen austreten und die Bindung an der Lithiumkobaltoxidkathode unterbrochen wird. Diese Lithiumionen gehen wieder zur Anode zurück. Hier werden sie wieder reduziert und in das Graphitsystem integriert.

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Welche Anoden- und Kathodenmaterialien eignen sich für Lithium-Ionen-Batterien?

Anode und Kathode bilden die Hauptteile der Zelle, die Reaktionen hervorrufen, die den Batterien helfen, ihre Hauptfunktion zu erfüllen und elektrische Energie bereitzustellen. Um die Batterieleistung ohne chemische oder elektrische Gefahren optimal und effizient zu halten, wurden bisher die folgenden Materialien in handelsüblichen Zellen verwendet.

Kathodenmaterialien

Kathodenmaterialien bestehen im Allgemeinen aus LiCoO2 oder LiMn2O4.

Materialien auf Kobaltbasis

Das Material auf Kobaltbasis entwickelt eine pseudotetraedrische Struktur, die eine zweidimensionale Lithiumionendiffusion ermöglicht. Die Kathoden auf Kobaltbasis sind aufgrund ihrer hohen theoretischen spezifischen Wärmekapazität, hohen Volumenkapazität, geringen Selbstentladung, hohen Entladungsspannung und guten Zyklusleistung ideal.

Materialien auf Manganbasis

Die Materialien auf Manganbasis verwenden ein kubisches Kristallgittersystem, das eine dreidimensionale Lithiumionendiffusion ermöglicht. Mangankathoden sind attraktiv, weil Mangan billiger ist und weil es theoretisch verwendet werden könnte, um eine effizientere, langlebigere Batterie herzustellen, wenn ihre Einschränkungen überwunden werden könnten. LiFePO4 ist aufgrund seiner geringen Kosten, seiner hervorragenden Sicherheit und seiner hohen Zykluslebensdauer auch ein Kandidat für die großtechnische Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien wie Elektrofahrzeuganwendungen.

Anodenmaterialien

Derzeit werden beim Bau von Anoden drei Materialien am häufigsten verwendet:

Anoden auf Kohlenstoffbasis

Graphit ist die häufigste Form von Kohlenstoff, die beim Bau von Anoden auf Kohlenstoffbasis verwendet wird. Diese Anoden bestehen aus sechseckigen und rhomboedrisch geformten Blättern. Wenn Lithium-Ionen mit der Anode in Kontakt kommen, werden die Graphitplatten neu angeordnet. Anoden auf Kohlenstoffbasis sind kostengünstig und leicht verfügbar. Sie besitzen auch die am besten geeigneten elektrochemischen Eigenschaften, die in Lithium-Ionen-Batterien erforderlich sind.

Nicht-graphitische Anoden

Da Lithium-Ionen-Batterien Forschung und konsequenten Entwicklungen unterzogen werden, werden Fortschritte bei der Verwendung von modernem Graphitkohlenstoff erzielt. Wissenschaftler berichteten, dass die Verwendung veränderter graphitischer Formen zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften beiträgt. Diesen unreinen Formen von Graphit fehlt die Eigenschaft von Graphit, sich in Schichten neu anzuordnen. Die nicht graphitischen Anoden arbeiten effizient in Kombination mit Festelektrolyten und können mit Lithium-Manganoxid gepaart werden.

Lithiumlegierungsanoden

Lithium-Legierungs-Anoden sind eine der vielen jüngsten Ergänzungen der Lithium-Ionen-Batterietechnologie. Die Lithium-Aluminium-Li-Al-Anode ist die erste in dieser Kategorie entwickelte Lithium-Legierungs-Anode. Diese Legierungsanoden bieten große Fortschritte beim Recycling von lithiumbatterien. Lithiumtitanoxid ist eine weitere Legierungsanode, die als Ersatz für die herkömmlichen Kohlenstoffanoden entwickelt wurde. Diese Anoden bieten zusätzliche Vorteile, da sie verbesserte Zyklen bieten, da keine volumetrischen Änderungen während des Lithium-Ergänzungs- und -Entfernungsprozesses auftreten. Das Problem bei diesen Anoden ist, dass sie aufgrund ihrer hohen Betriebsspannungspegel keine Energieabgaben mit hoher Dichte erzeugen können.