Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien?

Wechsel von Lithiummetall zu Lithiumionen

Die Untersuchung von Lithiumbatterien begann 1912 in GN Lewis, aber erst in den frühen 1970er Jahren wurden Lithium-Primärbatterien erstmals kommerzialisiert. In den 1980er Jahren begannen Wissenschaftler, Lithium-Sekundärbatterien zu entwickeln, aber das als negatives Elektrodenmaterial verwendete Lithiummetall weist eine große Instabilität auf, und die Begrenzung der Rohstoffe führt zu langsamen Fortschritten.

Lithium ist zweifellos das leichteste aller Metalle, hat also das höchste elektrochemische Potential und die maximale spezifische Energie pro Gewichtseinheit, und die Sekundärbatterie mit Lithiummetall als Anode (negative Elektrode) [1] hat eine sehr hohe Energiedichte. Mitte der 1980er Jahre wurde jedoch festgestellt, dass metallische Lithiumanoden während des Batteriezyklus schädliche Dendriten erzeugten, und es war leicht, den Separator während des dendritischen Wachstums zu durchstechen, um einen Kurzschluss der Batterie zu verursachen. Dann steigt die Batterietemperatur schnell an und nähert sich dem Schmelzpunkt von Lithium, und schließlich bewirkt das thermische Durchgehen, dass die Batterie Feuer fängt und sogar eine Explosion verursacht. Beispielsweise wurde 1991 aufgrund von Verbrennungen durch brennbare Gase, die bei der Verwendung von Lithiumbatterien für Mobiltelefone freigesetzt wurden, eine große Anzahl von nach Japan verkauften Lithium-Sekundärbatterien aus Metall zurückgerufen.

Metalllithium weist eine inhärente Instabilität auf und tritt besonders während des Ladevorgangs auf. Daher haben sich die Forscher auf die Untersuchung von Lithiumionen in nichtmetallischen Lösungen konzentriert. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien eine geringere spezifische Energie als Lithium-Metall-Batterien haben, ist die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gewährleistet, solange Batteriehersteller und Batteriepacks gemäß den Sicherheitsbestimmungen unter Beibehaltung eines sicheren Spannungs- und Stromniveaus eingesetzt werden. . Seit der Vermarktung der ersten Lithium-Ionen-Batterien durch Sony im Jahr 1991 sind Lithium-Ionen-Batterien zum vielversprechendsten und am schnellsten wachsenden Markt geworden. Gleichzeitig gaben die Forscher die Entwicklung sicherer Lithium-Metallbatterien jedoch immer noch nicht auf.

Die Entdeckung von Lithiumkobaltoxid als positives Elektrodenmaterial wurde John Goodenough (1992) zugeschrieben. Es wird gesagt, dass John Goodenough mit einem Absolventen von NTT Japan zusammengearbeitet hat. Kurz nachdem John Goodenough die Lithium-Ionen-Batterie erfunden hatte, brachte der Student die Erfindung nach Japan zurück. 1991 gab Sony bekannt, ein internationales Patent für ein Lithium-Kobaltoxid-Kathodenmaterial erhalten zu haben. Nach vielen Jahren folgten Klagen, aber Sony konnte immer noch Patente halten und John Goodenough hatte nichts.

Flammpunkt des Lithium-Ionen-Batteriesystems

Lithium-Ionen-Batterien haben die doppelte spezifische Energie von Nickel-Cadmium-Batterien und eine höhere theoretische Spannung (3,60 V) als die 1,20 V des Nickelsystems. Ersteres ist vorteilhafter für die theoretische spezifische Energieerhöhung. Gleichzeitig haben Verbesserungen bei elektrodenaktiven Materialien ein größeres Potenzial zur Erhöhung der Energiedichte. Die Ladeleistung von Lithium-Ionen-Batterien ist sehr gut. Die ideale Einzelzelle hat eine flache Entladekurve im Spannungsbereich von 3,7 bis 2,8 V, was eine gute Energiereservenleistung zeigt. Einzelbatterien auf Nickelbasis haben jedoch nur einen engen flachen Entladungsbereich von 1,25 V bis 1,0 V.

1994 verfügte das Modell 18650 [2] über eine zylindrische Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von nur 1100 MAH, die mehr als 10 US-Dollar kostete. Bis 2001 wurden die Kosten auf 2 USD gesenkt und die Kapazität auf 1900 MAH erhöht. Heute bietet die zylindrische Batterie mit hoher Energiedichte 18650 eine Kapazität von mehr als 3000 MAH und ist kostengünstiger. Die Reduzierung der Kosten, die Erhöhung der spezifischen Energie und das Fehlen toxischer Substanzen haben die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien auf tragbaren Geräten allgemein anerkannt und sich allmählich vom anfänglichen Konsumgütermarkt auf die Schwerindustrie einschließlich der Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge verlagert.

Im Jahr 2009 entfielen rund 38% des Batterieumsatzes auf Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind leicht zu warten und werden von vielen anderen chemischen Batterien nicht erreicht. Lithium-Ionen-Batterien haben keinen Memory-Effekt, müssen nicht vollständig geladen und entladen werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten, und die Selbstentladungsrate beträgt weniger als die Hälfte derjenigen von Batterien auf Nickelbasis, wodurch lithium-batterien in Kraftstoffanzeigen gut eingesetzt werden. Darüber hinaus hat der lithium-ionen-akku eine Nennspannung von 3,60 V und kann durch das Akkupack-Design direkt als Akku für Mobiltelefone und Digitalkameras verwendet werden, wodurch der Prozess vereinfacht und die Kosten gesenkt werden. Der Nachteil ist jedoch, dass Sie den Stromkreis vor Leckagen schützen und hohe Preise vermeiden müssen.

Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batterien aus Sicht der Materialien

Ähnlich wie bei Batterien auf Bleibasis und auf Nickelbasis verwenden Lithiumionen eine positive Elektrode (Kathode), eine negative Elektrode (Anode) und einen Elektrolyten als Leiter. Die positive Elektrode ist ein Metalloxid und die negative Elektrode besteht aus porösem Graphit. Während der Entladung bewegen sich Lithiumionen durch den Elektrolyten und den Separator von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Während des Ladens fließen Lithiumionen in entgegengesetzten Richtungen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode, wie in Fig. 1 gezeigt.

Wenn der Akku geladen und entladen wird, pendelt Li + zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Während der Entladung oxidiert die Anode, verliert Elektronen und die Kathode wird reduziert, um Elektronen zu erhalten. Beim Laden bewegt sich die Ladung in die entgegengesetzte Richtung.

Abhängig vom Elektrodenmaterial gibt es viele Arten von Lithium-Ionen-Batterien. Wenn Sie jedoch verschiedene Materialien auswählen, variiert die Batterieleistung stark.

Die positiven Elektrodenmaterialien enthalten alle Li +. Gewöhnliches Lithiumkobaltoxid (Lithiumkobaltoxid), Lithiummanganoxid (auch als Spinell oder Lithiummanganat bekannt), ternäres Lithiumeisenphosphat, Nickelkobaltmangan (NMC) [3] und Lithiumnickelkobaltaluminiumoxid (NCA). Alle diese Materialien haben eine theoretische obere Energiegrenze (Lithiumionen haben eine theoretische Kapazität von etwa 2000 kWh, was mehr als dem Zehnfachen der spezifischen Energie kommerzieller Lithiumionenbatterien entspricht).

Die ursprüngliche Lithium-Ionen-Batterie von Sony verwendet Koks (ein Kohleprodukt) als negatives Elektrodenmaterial. Seit 1997 haben die meisten hersteller von lithium-ionen-batterien, einschließlich Sony, Anodenmaterialien in Graphit umgewandelt, was zu einer flachen Entladungskurve führte. Graphit ist eine Form von Kohlenstoff, die in Stiften verwendet wird. Es kann Lithiumionen während des Ladens gut speichern und hat einen langen Zyklus und eine gute Stabilität. Von den Kohlenstoffmaterialien ist Graphit am häufigsten, gefolgt von hartem Kohlenstoff und weichem Kohlenstoff. Andere Kohlenstoffe wie Kohlenstoffnanoröhren haben ihre kommerzielle Verwendung noch nicht gefunden. In Abbildung 2 werden die Spannungsentladungskurven einer modernen Lithium-Ionen-Batterie mit Graphit als negativer Elektrode und einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer frühen negativen Kokselektrode verglichen.

Im normalen Betriebsentladungsbereich sollte die Batterie eine flache Spannungskurve aufweisen, die besser ist als früherer Koks.

Anodenmaterialien entwickeln sich ebenfalls weiter und Forscher experimentieren ständig mit neuen Materialien, einschließlich Legierungen auf Siliziumbasis. In dieser Legierung sind sechs Kohlenstoffatome an ein Lithiumion gebunden, und ein Siliziumatom kann vier Lithiumionen binden. Dies bedeutet, dass die Silizium-Negativelektrode theoretisch die 10-fache Energie des Graphitmaterials speichern kann. Gegenwärtig hat die spezifische Kapazität von Siliziummaterialien um 20 bis 30% zugenommen, was zu einer Verringerung des Lastpotentials und der Lebensdauer führt. Das Problem besteht jedoch darin, dass sich Lithiumionen während des Ladevorgangs leicht im Volumen ausdehnen, nachdem sie in das Material auf Siliziumbasis eingebettet wurden (Ausdehnung auf mehr als das Vierfache des Anfangsvolumens).

Das nanostrukturierte Lithiumtitanatsalz hat eine gute Zykluslebensdauer und Belastbarkeit, eine ausgezeichnete Niedertemperaturleistung und eine gute Sicherheitsleistung als negatives Elektrodenmaterial, aber seine spezifische Kapazität ist gering und die Kosten sind hoch.

Kompromisse zwischen verschiedenen Herstellern bei der Leistung von Batterien

Verschiedene Studien zu positiven und negativen Materialien ermöglichen es den Herstellern, die inhärente Leistung der Batterie zu berücksichtigen. Die Verstärkung eines Indikators geht jedoch häufig zu Lasten eines anderen Leistungseinbußen. Bei sogenannten "energiespeicherbatterien" neigen Batteriehersteller eher dazu, die spezifische Kapazität für den Langzeitgebrauch zu erhöhen, dies kann jedoch zu einer geringeren spezifischen Leistung und Lebensdauer führen. In der "Leistungsbatterie" kann eine bestimmte Kapazität geopfert werden, um eine hohe Leistung zu erzielen. Die obigen Eigenschaften der "Hybridbatterie" sind relativ ausgeglichen. "Langlebigkeitsbatterie" wurde für den Langzeitgebrauch entwickelt. Diese Spezialbatterien sind im Allgemeinen sperrig und teuer.

Hersteller können leicht Lithium-Ionen-Batterien mit hoher spezifischer Kapazität und geringen Kosten erhalten, wenn sie Nickel durch Nickel ersetzen. Dies verringert jedoch die Batteriestabilität. Obwohl einige neu gegründete Unternehmen der spezifischen Kapazität der Batterie möglicherweise mehr Aufmerksamkeit schenken, um schneller Marktkenntnis zu erlangen, können Sicherheit und Stabilität nicht ignoriert werden. Seriöse Unternehmen werden Sicherheit und langfristige Effizienz als äußerst wichtigen Standort betrachten.

Die Verbesserung bestehender Materialien ist noch weit entfernt

Die Lithium-Ionen-Batterieindustrie wird hauptsächlich in tragbaren elektronischen Produkten verwendet, und die Langzeitstabilität ihres Stromversorgungssystems ist noch unbekannt. Lebensdauer, langfristige Leistung und Betriebskosten sind erst bekannt, nachdem das Elektroauto mehrmals aktualisiert und vom Kunden akzeptiert wurde. Abbildung 3 unten fasst die Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien zusammen.

Zusammengenommen sind diese beiden Herausforderungen heute besonders akut: Sie verbessern die Batterieleistung und finden bessere Verbindungen. Durch die Überwindung von Engpässen sind Batterien entscheidender als nahezu freie fossile Brennstoffe. Obwohl die Medien ausführlich über wichtige Durchbrüche bei Batterien berichtet haben, ist es immer noch nicht an der Zeit, einen Artikel zu schreiben, um den Sieg zu loben. Selbst wenn eine bestimmte Entwicklung bestätigt und genehmigt wird, wird es mehrere Jahre dauern, bis sie auf den Markt kommt und wirklich in die Häuser gewöhnlicher Menschen „fliegt“.

Anmerkung:

[1] Wenn Energie verbraucht wird, beispielsweise in einer Diode, einer Vakuumröhre oder einer wiederaufladbaren Batterie, ist das Anodenmaterial ein positives Elektrodenmaterial; Umgekehrt ist das Anodenmaterial beim Entladen, beispielsweise bei einem Entladevorgang einer Batterie, ein negatives Elektrodenmaterial.

[2] Die zylindrische Lithium-Ionen-Batterie wurde Mitte der neunziger Jahre entwickelt. Es wurde ein Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 65 mm gemessen, was hauptsächlich in Notebooks verwendet wird.

[3] Einige Nickel-Mangan-Mangan-Kobalt-Batteriesysteme wurden als NCM, CMN, CNM, MNC und MCN geschrieben. Diese Systeme sind grundsätzlich gleich.

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