Was Sie über Lithium-Ionen-Batterien wissen sollten

Einführung

Lithium-Ionen-Batterien, oft abgekürzt als LIBs, sind wiederaufladbare Energiespeicher, die zum Goldstandard für die Stromversorgung einer Vielzahl moderner Technologien geworden sind. Von unseren Smartphones und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen und Systemen zur Speicherung erneuerbarer Energien haben LIBs die Art und Weise, wie wir elektrische Energie nutzen und speichern, verändert. In diesem Artikel werden wir die zentrale Rolle untersuchen, die LIBs in diesen Branchen spielen, und ein besseres Verständnis für ihre Funktionsprinzipien, Rohstoffe, Vorteile und Anwendungen vermitteln.

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Abbildung 1. Lithium-Ionen-Batterie

Funktionsprinzipien von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien nutzen einen bemerkenswerten elektrochemischen Prozess. Sie funktionieren nach dem Prinzip des Hin- und Herschiebens von Lithium-Ionen (Li+) zwischen zwei entscheidenden Komponenten: der Anode und der Kathode. Während der Ladephase werden Lithium-Ionen aus der Kathode entnommen und in der Anode gespeichert, wodurch eine Potenzialdifferenz entsteht. In der Entladephase, wenn die Batterie Strom liefert, fließen diese Ionen durch eine Elektrolytlösung zurück zur Kathode.

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Abbildung 2. Aufbau einer Li-Ionen-Batterie

Materialien der Lithium-Ionen-Batterie

Im elektrochemischen Prozess werden verschiedene LIB-Materialien sorgfältig ausgewählt und entwickelt, um die Leistung, Energiedichte und Gesamteffizienz der Batterie zu maximieren. Im Folgenden werden die Hauptbestandteile der Materialien für Lithium-Ionen-Batterien aufgeführt:

-Anodenmaterialien

Anoden in LIBs bestehen in der Regel aus Materialien, die Lithiumionen während der Lade- und Entladezyklen einlagern (aufnehmen und abgeben) können. Zu den gängigen Anodenmaterialien gehören Graphit und Silizium.

lGraphit ist aufgrund seiner Stabilität und elektrochemischen Leistung das am häufigsten verwendete Anodenmaterial in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien .

lSilizium hat im Vergleich zu Graphit eine höhere theoretische Kapazität für die Speicherung von Lithium. Die Ausdehnung und Kontraktion von Silizium während der Lithium- und Delithiumzyklen stellt jedoch eine technische Herausforderung dar.

--Kathodenmaterialien:

Die Kathoden sind eine weitere kritische Komponente und bestimmen die Spannung und Kapazität der Batterie. Verschiedene Kathodenmaterialien haben unterschiedliche Spannungsplateaus und Energiedichten.

lLithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) wurde in den ersten Generationen von LIBs, insbesondere in der Unterhaltungselektronik, häufig verwendet. Es bietet eine gute Energiedichte, ist aber bei Anwendungen mit hoher Kapazität und hoher Leistung aufgrund von Sicherheitsbedenken und Kosten weniger verbreitet.

lLithiumeisenphosphat (LiFePO4) ist für seine Sicherheit und lange Lebensdauer bekannt. Es wird häufig in Elektrofahrzeugen und Speichersystemen für erneuerbare Energien eingesetzt, wo Sicherheit und Langlebigkeit entscheidend sind.

lLithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM)-Kathoden und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA)-Kathoden werden häufig in Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet. Sie bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Energiedichte und Leistungsdichte.

lLithiummanganoxid (LMO) wird wegen seiner thermischen Stabilität und Sicherheit geschätzt und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen das Temperaturmanagement eine Rolle spielt.

-Elektrolyt:

Der Elektrolyt ist das leitende Medium, das die Bewegung der Lithiumionen zwischen Anode und Kathode während der Ladung und Entladung ermöglicht. Zu den üblichen Elektrolyten gehören in organischen Lösungsmitteln gelöste Lithiumsalze, aber es werden auch Festkörperelektrolyte entwickelt, um die Sicherheit und Energiedichte zu verbessern.

-Abscheider:

Separatoren sind poröse Membranen, die Anode und Kathode physikalisch voneinander trennen und gleichzeitig den Durchgang von Lithiumionen ermöglichen. Sie bestehen in der Regel aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) und spielen eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Kurzschlüssen und der Verbesserung der Sicherheit.

Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien bieten eine Vielzahl von Vorteilen, die sie zur bevorzugten Wahl für eine breite Palette von Anwendungen gemacht haben. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile von LIBs.

l Wirkungsgrad: LIBs haben eine hohe Energiedichte, sind wiederaufladbar und haben eine niedrige Selbstentladungsrate.

lLanglebigkeit: LIBs können in einem weiten Temperaturbereich effektiv arbeiten, von Minusgraden bis zu großer Hitze. Sie haben eine lange Lebensdauer, d. h. sie können zahlreiche Lade- und Entladezyklen durchlaufen, bevor sie einen signifikanten Kapazitätsabbau erfahren.

lNachhaltigkeit: LIBs erzeugen weniger Emissionen und haben einen geringeren ökologischen Fußabdruck als einige alternative Energiespeicherlösungen.

lSicherheit: Moderne LIBs verfügen über Sicherheitsfunktionen wie Wärmeschutz, Überladeschutz und integrierte Batteriemanagementsysteme (BMS) zur Überwachung und Steuerung der Batterieleistung und -sicherheit.

Lithium-Ionen-Batterie-Anwendungen

Diese Vorteile haben Lithium-Ionen-Batterien zu einer dominierenden Kraft auf dem Energiespeichermarkt gemacht und Innovationen in einem breiten Spektrum von Anwendungen vorangetrieben:

lUnterhaltungselektronik: LIBs versorgen unsere Smartphones, Tablets, Laptops, Kameras und zahllose andere tragbare Geräte mit der lang anhaltenden und leistungsstarken Energiequelle, die wir für unser zunehmend vernetztes Leben benötigen.

lElektrofahrzeuge (EVs): LIBs sind ein wesentlicher Bestandteil der Revolution der Elektromobilität und dienen als primäres Energiespeichersystem in Elektroautos. Ihre Fähigkeit, große Energiemengen zu speichern und effizient bereitzustellen, hat das Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge vorangetrieben.

lSpeicherung erneuerbarer Energien: Diese Batterien sind entscheidend für die Speicherung von Strom, der aus erneuerbaren Quellen wie Sonnenkollektoren und Windturbinen gewonnen wird. Diese gespeicherte Energie kann in Zeiten geringer erneuerbarer Energieerzeugung oder bei Nachfragespitzen genutzt werden.

lLuft- und Raumfahrt: LIBs werden in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, z. B. für den Antrieb von Satelliten, Raumfahrzeugen und unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), wo ihre hohe Energiedichte und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

lMedizinische Geräte: Sie werden in medizinischen Geräten eingesetzt, um sicherzustellen, dass kritische Geräte wie implantierbare Herzdefibrillatoren (ICDs) und tragbare medizinische Monitore betriebsbereit bleiben, wenn sie am meisten gebraucht werden.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Lithium-Ionen-Batterien eine neue Ära sauberer, effizienter und nachhaltiger Energielösungen eingeläutet haben. Diese bemerkenswerten Energiespeicher haben die Art und Weise revolutioniert, wie wir unsere Geräte, Fahrzeuge und erneuerbaren Energiesysteme mit Energie versorgen, und haben mit ihrer hohen Energiedichte, Langlebigkeit und Vielseitigkeit in verschiedenen Branchen einen unauslöschlichen Eindruck hinterlassen.

Stanford Advanced Materials (SAM) bietet eine Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriematerialien an, darunter Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Kobalt-Oxid (LCO), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), usw. Schicken Sie uns eine Anfrage, wenn Sie interessiert sind.

Referenz:

[1] Chandler, D. L. (2023, März 23). Studie zeigt Kostensturz bei Lithium-Ionen-Batterien. MIT News. Abgerufen am 12. September 2023, von https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323

[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117