Lithium-Ionen-Batterietechnologie – Verbesserungen und Unternehmen

John Goodenough erfand 1980 Lithium-Ionen-Batterien und Sony brachte sie 1991 auf den Markt. Lithium-Ionen-Batterien haben sich in den letzten zehn Jahren in fast allen Branchen zur dominierenden Chemie für wiederaufladbare Batterien entwickelt. In vielerlei Hinsicht ist Lithium-Ion früherer populärer Chemie (Blei-Säure, Nickel-Cadmium und Alkali) überlegen.

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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Mit dem technologischen Fortschritt ist eine sichere und leistungsstarke Batterie sehr gefragt. Lithium ist die energiedichteste Chemie im Einsatz und kann mit zusätzlichen Funktionen auch die sicherste sein. Da die Lithiumenergie ein heißes Forschungsthema ist, entstehen jedes Jahr neue Chemien.

Verbesserungen der Lithium-Ionen-Batterietechnologie

Lithium-Ionen-Batterien haben die mikroelektronische Revolution unterstützt und sind heute die bevorzugte Energiequelle für tragbare elektronische Geräte. Ihr Erfolg auf dem Markt für tragbare Elektronik beruht darauf, dass sie höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichten bieten als andere wiederaufladbare Systeme.

●Erhöhung der Spannung der Zellen

Der Wunsch, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien durch Erhöhung der Betriebsspannung, der Ladungsspeicherkapazität oder beider zu erhöhen, hat großes Interesse geweckt. Da die aktuelle Anoden-Betriebsspannung bereits nahe an der von Li/Li+ liegt, besteht die einzige Möglichkeit, die Zellspannung zu erhöhen, darin, die Betriebsspannung der Kathode zu erhöhen.

Die drei Kathodenstrukturen liefern Zusammensetzungen mit Betriebsspannungen, die höher sind als die derzeit verwendeten Spannungen von 4,3 V gegen Li/Li+, aber die Kathodenoberfläche mit Betriebsspannungen von mehr als 4,3 V ist instabil in Kontakt mit den organischen Lösungsmitteln EC, DEC, DMC und anderen im Elektrolyten verwendet.

●Erhöhung der Ladungsspeicherkapazität

Da es derzeit keine praktische Lösung zur Erhöhung der Kathodenbetriebsspannung gibt, wird viel Wert darauf gelegt, die Ladungsspeicherkapazitäten sowohl der Anode als auch der Kathode zu erhöhen. Anoden und Kathoden, die eher eine Umwandlungsreaktion mit Lithium als eine Insertionsreaktion durchlaufen, haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf diesem Gebiet erhalten.

Während die Anzahl der kristallographischen Stellen, die für eine reversible Insertion/Extraktion von Lithium verfügbar sind, die Kapazität von Insertionsreaktionselektroden begrenzt, sind Umwandlungsreaktionselektroden nicht auf diese Weise begrenzt. Sie haben Kapazitäten, die um eine Größenordnung größer sind.

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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Trotz der begrenzten Energiedichte, die durch die Anzahl der verfügbaren kristallographischen Stellen sowie strukturelle und chemische Instabilitäten bei einer tiefen Ladung diktiert wird, wird die aktuelle Lithium-Ionen-Technologie auf der Grundlage von Kathoden und Anoden mit Insertionsreaktion auf absehbare Zeit weitergeführt. Anoden und Kathoden für Umwandlungsreaktionen haben viel Aufmerksamkeit erhalten, weil sie bis zu einer Größenordnung höhere Kapazitäten als Elektroden für Insertionsreaktionen haben, aber ihre praktische Brauchbarkeit wurde in Frage gestellt.

In letzter Zeit besteht erneut Interesse an der Verwendung von Lithiummetall als Anode und dem Ersatz flüssiger Elektrolyte durch feste Elektrolyte, da diese sicherere Zellen mit höheren Betriebsspannungen und Ladungsspeicherkapazitäten bieten können, aber nur die Zeit wird zeigen, ob sie praktikabel sind.

Angesichts der Herausforderungen der Alternativen besteht eine tragfähige kurzfristige Strategie darin, sich auf Nickelschichtoxidkathoden, flüssige Elektrolyte, die mit Graphitanoden und Nickelkathoden kompatibel sind und stabile SEI bilden, Innovationen in der Zelltechnik zur Herstellung dickerer Elektroden zu konzentrieren Reduzierung inaktiver Komponenten und neuartige Systemintegration, um sicherere, langlebigere und erschwinglichere Batterien zu realisieren.

Unternehmen für Lithium-Ionen-Batterietechnologie

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) werden von Elektrofahrzeugen (EVs) verdrängt, so wie einst Pferdekutschen von ICE-Fahrzeugen verdrängt wurden. Batterietechnologie der nächsten Generation und eine reichliche Versorgung mit Lithium, dem wichtigsten Rohstoff für Lithium-Ionen-Batterien, sind erforderlich, um diesen Übergang zur elektrischen Energie voranzutreiben.

Elektrofahrzeuge machen derzeit 24 % der gesamten weltweiten Lithiumnachfrage aus. Auch diese Zahl soll steigen. Elektronik, Energiespeicher und andere Gadgets werden die restlichen 21 % ausmachen. Lithiumbatterien werden zunehmend in Telekommunikation, Energiespeicherung, Regierungsprojekten und Spielzeug eingesetzt.

Tesla ist weltweit führend bei der Verwendung von Lithiumbatterien in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Tesla ist einer der weltweit größten Verbraucher von Lithium, das es in seiner wachsenden Produktion von Elektrofahrzeugen verwendet. Panasonic ist einer der drei weltweit führenden Hersteller von EV-Batterien aus Japan, und ein weiterer wichtiger Akteur in der Lithiumbatterietechnologie ist Teslas langjähriger Partner. Im Telekommunikationssektor sind Samsung, Panasonic und LG ebenfalls weltweit führend.

Reliance, Mahindra und Ola sind einige der Unternehmen, die den Bau von Produktionsanlagen für Lithiumbatterien in Indien planen, um die Nachfrage des Landes nach Lithiumbatterien zu decken.

Li-Ion-Batterien versorgen die Telekommunikationsmasten von Reliance mit Strom. Ambri und Reliance führen Gespräche über den Bau einer Giga-Fabrik zur Herstellung von Batterien in Indien. Ambri ist ein Unternehmen für Flüssigmetallbatterien mit Sitz in den Vereinigten Staaten. Bis Mitte 2022 will Ola 15 % der E-Scooter der Welt produzieren. In Indien planen Adani, Suzuki, Mahindra, JSW und Hero alle milliardenschwere Batterieanlagen.

Chemie der Lithium-Ionen-Batterie

Die Reaktionen, die die Batterie antreiben, verwenden Lithium-Ionen (Li+). In einer Lithium-Ionen-Zelle bestehen beide Elektroden aus Materialien, die Lithium-Ionen interkalieren oder „absorbieren“ können. Wenn geladene Ionen eines Elements in der Struktur eines Wirtsmaterials „gehalten“ werden können, ohne dass es zu erheblichen Störungen kommt, wird dies als Interkalation bezeichnet. Die Lithium-Ionen sind innerhalb der Struktur der Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie an ein Elektron „gebunden“. Die interkalierten Lithiumionen werden von der Anode freigesetzt und wandern durch die Elektrolytlösung, um in der Kathode absorbiert zu werden, wenn sich die Batterie entlädt.

Wenn die Batterie aufgeladen wird, unterliegt die Kathode einer Oxidationsreaktion, die zum Verlust bestimmter negativ geladener Elektronen führt. Eine gleiche Anzahl positiv geladener interkalierter Lithiumionen wird in die Elektrolytlösung zerlegt, um das Ladungsgleichgewicht in der Kathode aufrechtzuerhalten.

Innerhalb einer Lithium-Ionen-Batterie finden Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Redox) statt.

An der Kathode findet eine Reduktion statt. Lithium-Kobaltoxid entsteht, wenn Kobaltoxid mit Lithiumionen (LiCoO2) reagiert. Die Halbreaktion ist wie folgt:

CoO2 + Li+ + e- → LiCoO2

An der Anode findet die Oxidation statt. Graphit (C6) und Lithium-Ionen werden durch die Graphit-Interkalationsverbindung LiC6 gebildet. Die Halbreaktion ist wie folgt:

LiC6 → C6 + Li+ + e-

Die vollständige Reaktion (von links nach rechts = Entladen, von rechts nach links = Laden) ist wie folgt:

LiC6 + CoO2 ? C6 + LiCoO2

Lithium-Ionen-Batterien haben den Markt für tragbare Elektronik dominiert, dringen in den Markt für Elektrofahrzeuge ein und sind bereit, in den Versorgungsmarkt für Netzenergiespeicher einzutreten.