Übersicht über Lithiumbatterien | BSLBATT Erneuerbare Energie

BSLBATT Engineered Technologies nutzt unsere erfahrenen Engineering-, Design-, Qualitäts- und Fertigungsteams, damit unsere Kunden sicher sein können, technisch fortschrittliche Batterielösungen zu erhalten, die den einzigartigen Anforderungen ihrer spezifischen Anwendungen gerecht werden. Wir sind auf die Entwicklung von wiederaufladbaren und nicht wiederaufladbaren Lithiumzellen und Batteriepacks spezialisiert und arbeiten mit einer Vielzahl von Lithiumzellenchemien, um Optionen und Lösungen für anspruchsvolle Anwendungen weltweit anzubieten.

Lithium-Akku Technologien

Unsere umfassenden Fertigungskapazitäten ermöglichen es uns, die einfachsten Batteriepacks bis hin zu kundenspezifischen Packs mit speziellen Schaltkreisen, Anschlüssen und Gehäusen zu bauen. Von kleinen bis großen Stückzahlen verfügen wir über die Kapazitäten und Branchenkenntnisse, um die individuellen Anforderungen aller OEMs zu erfüllen, da unser erfahrenes Ingenieurteam maßgeschneiderte Batterielösungen für die spezifischen Anforderungen der meisten Anwendungen entwerfen, entwickeln, testen und herstellen kann.

BSLBATT bietet schlüsselfertige Lösungen basierend auf Kundenanforderungen und -spezifikationen. Wir arbeiten mit den branchenführenden Zellherstellern zusammen, um optimale Lösungen bereitzustellen, und wir entwickeln und integrieren modernste Steuerungs- und Überwachungselektronik in unsere Batteriepakete.

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Lithium-Ionen-Batterien nutzen das starke Reduktionspotenzial von Lithium-Ionen, um die für alle Batterietechnologien zentrale Redoxreaktion anzutreiben – Reduktion an der Kathode, Oxidation an der Anode. Durch die Verbindung der positiven und negativen Pole einer Batterie über einen Stromkreis werden die beiden Hälften der Redoxreaktion vereint, sodass das an den Stromkreis angeschlossene Gerät Energie aus der Bewegung von Elektronen gewinnen kann.

Während heutzutage in der Industrie viele verschiedene Arten von Lithium-basierten Chemikalien verwendet werden, verwenden wir Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) – die Chemie, die es Lithium-Ionen-Batterien ermöglichte, die Nickel-Cadmium-Batterien zu ersetzen, die für Verbraucher die Norm waren Elektronik bis in die 90er Jahre – um die grundlegende Chemie hinter dieser beliebten Technologie zu demonstrieren.

Die vollständige Reaktion für eine LiCoO2-Kathode und eine Graphitanode ist wie folgt:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Dabei steht die Vorwärtsreaktion für das Laden und die Rückreaktion für das Entladen. Dies kann in die folgenden Halbreaktionen unterteilt werden:

An der positiven Elektrode kommt es bei der Entladung zu einer Reduktion an der Kathode (siehe Rückreaktion).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

An der negativen Elektrode kommt es bei der Entladung zu einer Oxidation an der Anode (siehe Rückreaktion).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Beim Entladen bewegen sich Lithiumionen (Li+) von der negativen Elektrode (Graphit) durch den Elektrolyten (in einer Lösung suspendierte Lithiumsalze) und den Separator zur positiven Elektrode (LiCoO2). Gleichzeitig wandern Elektronen von der Anode (Graphit) zur Kathode (LiCoO2), die über einen externen Stromkreis verbunden ist. Wenn eine externe Stromquelle angelegt wird, kehrt sich die Reaktion zusammen mit den Funktionen der jeweiligen Elektroden um und die Zelle wird aufgeladen.

Was ist in einem Lithium-Ionen-Akku enthalten?

Ihre typische zylindrische 18650-Zelle, der gängige Formfaktor, der in der Industrie für kommerzielle Anwendungen von Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen verwendet wird, hat eine OCV (Leerlaufspannung) von 3,7 Volt. Je nach Hersteller kann er etwa 20 Ampere bei einer Kapazität von 3000 mAh oder mehr liefern. Der Akku besteht aus mehreren Zellen und enthält im Allgemeinen einen schützenden Mikrochip, um ein Überladen und Entladen unter die Mindestkapazität zu verhindern, was zu Überhitzung, Bränden und Explosionen führen kann. Schauen wir uns das Innere einer Zelle genauer an.

Positive Elektrode/Kathode

Der Schlüssel zum Entwurf einer positiven Elektrode liegt in der Auswahl eines Materials, das im Vergleich zu reinen Lithiummetallen ein Elektropotential von mehr als 2,25 V aufweist. Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien variieren stark, aber sie bestehen im Allgemeinen aus geschichteten Lithium-Übergangsmetalloxiden, wie das LiCoO2-Kathodendesign, das wir zuvor untersucht haben. Weitere Materialien sind Spinelle (z. B. LiMn2O4) und Olivine (z. B. LiFePO4).

Negative Elektrode/Anode

In einer idealen Lithiumbatterie würden Sie reines Lithiummetall als Anode verwenden, da es die optimale Kombination aus niedrigem Molekulargewicht und hoher spezifischer Kapazität für eine Batterie bietet. Es gibt zwei Hauptprobleme, die den Einsatz von Lithium als Anode in kommerziellen Anwendungen verhindern: Sicherheit und Reversibilität. Lithium ist hochreaktiv und anfällig für katastrophale Fehlerarten pyrotechnischer Art. Außerdem wird Lithium während des Ladevorgangs nicht in seinen ursprünglichen, einheitlichen metallischen Zustand zurückplattieren, sondern eine nadelartige Morphologie annehmen, die als Dendriten bekannt ist. Die Bildung von Dendriten kann zu durchbrochenen Separatoren führen, was zu Kurzschlüssen führen kann.

Die von den Forschern entwickelte Lösung, um die Vorteile von Lithiummetall ohne alle Nachteile zu nutzen, war die Lithiuminterkalation – der Prozess der Schichtung von Lithiumionen in Kohlenstoffgraphit oder einem anderen Material, um die einfache Bewegung von Lithiumionen von einer Elektrode zur anderen zu ermöglichen. Andere Mechanismen beinhalten die Verwendung von Anodenmaterialien mit Lithium, die reversible Reaktionen leichter ermöglichen. Typische Anodenmaterialien sind Graphit, Siliziumlegierungen, Zinn und Titan.

Separator

Die Aufgabe des Separators besteht darin, eine elektrische Isolationsschicht zwischen der negativen und der positiven Elektrode bereitzustellen und gleichzeitig den Ionendurchgang während des Ladens und Entladens zu ermöglichen. Es muss außerdem chemisch beständig gegen Abbau durch den Elektrolyten und andere Spezies in der Zelle und mechanisch stark genug sein, um Verschleiß zu widerstehen. Gängige Lithium-Ionen-Separatoren sind in der Regel hochporöser Natur und bestehen aus Polyethylen- (PE) oder Polypropylen- (PP) Folien.

Elektrolyt

Die Rolle eines Elektrolyten in einer Lithium-Ionen-Zelle besteht darin, ein Medium bereitzustellen, durch das Lithiumionen während der Lade- und Entladezyklen frei zwischen Kathode und Anode fließen können. Die Idee besteht darin, ein Medium auszuwählen, das sowohl ein guter Li+-Leiter als auch ein elektronischer Isolator ist. Der Elektrolyt sollte thermisch stabil und chemisch mit den anderen Komponenten in der Zelle kompatibel sein. Im Allgemeinen dienen Lithiumsalze wie LiClO4, LiBF4 oder LiPF6, suspendiert in einem organischen Lösungsmittel wie Diethylcarbonat, Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat, als Elektrolyt für herkömmliche Lithium-Ionen-Designs.

Festelektrolyt-Interphase (SEI)

Ein wichtiges Designkonzept, das es bei Lithium-Ionen-Zellen zu verstehen gilt, ist die Festelektrolyt-Interphase (SEI) – ein Passivierungsfilm, der sich an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten aufbaut, wenn Li+-Ionen mit Abbauprodukten des Elektrolyten reagieren. Der Film bildet sich beim ersten Laden der Zelle auf der negativen Elektrode. Der SEI schützt den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung bei nachfolgenden Ladungen der Zelle. Der Verlust dieser Passivierungsschicht kann sich negativ auf die Lebensdauer, die elektrische Leistung, die Kapazität und die Gesamtlebensdauer einer Zelle auswirken. Auf der anderen Seite haben Hersteller herausgefunden, dass sie die Batterieleistung durch Feinabstimmung des SEI verbessern können.

Lernen Sie die Lithium-Ionen-Batteriefamilie kennen

Der Reiz von Lithium als ideales Elektrodenmaterial für Batterieanwendungen hat zu vielen Arten von Lithium-Ionen-Batterien geführt. Hier sind fünf der am häufigsten im Handel erhältlichen Batterien auf dem Markt.

Lithiumkobaltoxid

Wir haben LiCoO2-Batterien in diesem Artikel bereits ausführlich behandelt, da es sich um die beliebteste Chemie für tragbare Elektronikgeräte wie Mobiltelefone, Laptops und elektronische Kameras handelt. LiCoO2 verdankt seinen Erfolg seiner hohen spezifischen Energie. Eine kurze Lebensdauer, schlechte thermische Stabilität und der Kobaltpreis veranlassen Hersteller dazu, auf Mischkathodenkonstruktionen umzusteigen.

Lithiummanganoxid

Lithium-Manganoxid-Batterien (LiMn2O4) verwenden Kathoden auf MnO2-Basis. Im Vergleich zu Standard-LiCoO2-Batterien sind LiMn2O4-Batterien weniger giftig, kosten weniger und sind sicherer in der Anwendung, allerdings mit geringerer Kapazität. Während in der Vergangenheit wiederaufladbare Designs erforscht wurden, verwendet die heutige Industrie diese Chemie typischerweise für Primärzellen (Einzelzykluszellen), die nicht wiederaufladbar sind und nach Gebrauch entsorgt werden sollen. Durch ihre Langlebigkeit, hohe thermische Stabilität und lange Haltbarkeit eignen sie sich hervorragend für Elektrowerkzeuge oder medizinische Geräte.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid

Manchmal ist das Ganze mehr als die Summe seiner Teile, und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien (auch als NCM-Batterien bekannt) weisen eine höhere elektrische Leistung auf als LiCoO2. NCM gewinnt seine Stärke darin, die Vor- und Nachteile seiner einzelnen Kathodenmaterialien abzuwägen. NCM ist eines der erfolgreichsten Lithium-Ionen-Systeme auf dem Markt und wird häufig in Antriebssträngen wie Elektrowerkzeugen und E-Bikes eingesetzt.

Lithiumeisenphosphat

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) erreichen mithilfe von nanostrukturiertem Phosphat-Kathodenmaterial eine lange Zyklenlebensdauer und einen hohen Nennstrom bei guter thermischer Stabilität. Trotz dieser Verbesserungen ist sie nicht so energiedicht wie Technologien mit Kobaltmischung und weist die höchste Selbstentladungsrate der anderen Batterien in dieser Liste auf. LiFePO4-Batterien sind als Alternative zu Blei-Säure als Auto-Starterbatterie beliebt.

Lithiumtitanat

Durch den Ersatz der Graphitanode durch Lithiumtitanat-Nanokristalle erhöht sich die Oberfläche der Anode erheblich auf etwa 100 m2 pro Gramm. Die nanostrukturierte Anode erhöht die Anzahl der Elektronen, die durch den Stromkreis fließen können, und gibt Lithiumtitanat-Zellen die Möglichkeit, mit Raten von mehr als 10 °C (dem Zehnfachen ihrer Nennkapazität) sicher geladen und entladen zu werden. Der Kompromiss für den schnellsten Lade- und Entladezyklus der Lithium-Ionen-Batterien ist eine relativ niedrigere Spannung von 2,4 V pro Zelle. Lithiumtitanat-Zellen liegen am unteren Ende des Energiedichtespektrums von Lithium-Batterien, sind aber immer noch höher als alternative Chemikalien wie Nickel- Cadmium. Trotz dieses Nachteils wird die Batterie aufgrund der elektrischen Gesamtleistung, der hohen Zuverlässigkeit, der thermischen Stabilität und der besonders langen Zyklenlebensdauer immer noch in Elektrofahrzeugen eingesetzt.

Die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien

Unternehmen und Regierungen auf der ganzen Welt drängen stark darauf, die Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen- und anderen Batterietechnologien weiter voranzutreiben, um der wachsenden Nachfrage nach sauberer Energie und reduzierten Kohlenstoffemissionen gerecht zu werden. Inhärent intermittierende Energiequellen wie Sonne und Wind könnten stark von der hohen Energiedichte und langen Lebensdauer von Lithium-Ionen profitieren, was der Technologie bereits dabei geholfen hat, den Markt für Elektrofahrzeuge zu erobern.

Um dieser wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, haben Forscher bereits damit begonnen, die Grenzen der bestehenden Lithium-Ionen-Technologie auf neue und aufregende Weise zu erweitern. Lithium-Polymer-Zellen (Li-Po) ersetzen die gefährlichen flüssigen Elektrolyte auf Lithiumsalzbasis durch sicherere Polymergele und halbnasse Zelldesigns für eine vergleichbare elektrische Leistung bei verbesserter Sicherheit und geringerem Gewicht. Festkörperlithium ist die neueste Technologie auf dem Markt und verspricht Verbesserungen bei der Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer und Gesamtlebensdauer bei gleichzeitiger Stabilität eines Festelektrolyten. Es ist schwer vorherzusagen, welche Technologie das Rennen um die ultimative Energiespeicherlösung gewinnen wird, aber Lithium-Ionen-Technologie wird mit Sicherheit auch in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle in der Energiewirtschaft spielen.

Anbieter von Energiespeicherlösungen

Wir stellen hochmoderne Produkte her und kombinieren Präzisionstechnik mit umfassender Anwendungskompetenz, um Kunden bei der Integration von Energiespeicherlösungen in ihre Produkte zu unterstützen. BSLBATT Engineered Technologies verfügt über die bewährte Technologie- und Integrationskompetenz, um Ihre Anwendungen von der Konzeption bis zur Kommerzialisierung zu begleiten.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Blogbeitrag unter Lithiumbatteriespeicher .