Eine Einführung in Lithiumbatterien

Einleitung

Zwischen Elektrofahrzeugen, Handys und Laptops scheinen Batterien überall zu sein. Dies wird sich so schnell nicht ändern. Der weltweite Stromverbrauch wächst rasant, Smartphones, Tablets und E-Books werden immer häufiger. Darüber hinaus finden Batterien Anwendung in der Energiespeicherung, da der Sektor der erneuerbaren Energien weiter expandiert. Ingenieure und Wissenschaftler haben viele neue Technologien entwickelt, um unseren Speicherbedarf zu decken, aber keine davon scheint sich als überlegene Technologie etabliert zu haben. Schwungräder, Druckluft- und Wärmespeicher sind allesamt starke Konkurrenten für die Speicherung im Netzmaßstab, während Lithium-Ionen-, Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien um tragbare Elektrobatterien konkurrieren. Was passiert ist, dass wir immer noch nicht den optimalen Weg gefunden haben, unseren Strom zu speichern. In diesem Artikel werden wir die Technologie und das Potenzial von Lithiumbatterien diskutieren.

Bis in die 1990er Jahre waren Nickel-Cadmium-Batterien (NiCad) praktisch die einzige Option für wiederaufladbare Batterien. Das Hauptproblem bei diesen Geräten besteht darin, dass sie einen hohen Temperaturkoeffizienten haben. Dies bedeutet, dass die Leistung des Elements mit zunehmender Erwärmung abnimmt. Darüber hinaus ist Cadmium, eines der Hauptelemente von Zellen, teuer und nicht umweltfreundlich (es wird auch in Dünnschichtplatten verwendet). Nickel-Metallhydrid (NiMH) und Lithium-Ionen wurden in den 90er Jahren zu Konkurrenten von NiCad. Seitdem gibt es viele beeindruckende Technologien auf dem Markt. Unter diesen ragen Lithium-Ionen-Batterien als vielversprechende Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen heraus.

Lithium-Ionen-Zellen werden in Hunderten von Anwendungen eingesetzt, darunter Elektrofahrzeuge, Herzschrittmacher, Laptops und militärische Mikronetze. Sie sind sehr wartungsarm und energieintensiv. Leider haben kommerzielle Lithium-Ionen-Zellen eine Reihe schwerwiegender Nachteile. Sie sind sehr teuer, spröde und haben eine kurze Lebensdauer in einem tiefen Zyklus. Die Zukunft vieler neuer Technologien, einschließlich Elektrofahrzeugen, hängt von einer verbesserten Zellleistung ab.

Technologien

Batterien sind elektrochemische Geräte. Darunter versteht man die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Batterien können in die entgegengesetzte Richtung umgewandelt werden, da sie eine reversible Reaktion verwenden. Jede Zelle besteht aus einer positiven Elektrode, die als Kathode bezeichnet wird, und einer negativen Elektrode, die als Anode bezeichnet wird. Die Elektroden werden in einen Elektrolyten gelegt und über einen externen Stromkreis verbunden, der den Elektronenfluss ermöglicht.

Frühe Lithiumbatterien waren Hochtemperaturzellen mit einer flüssigen Lithiumkathode und einer flüssigen Schwefelanode. Diese thermischen Speicherbatterien, die bei Temperaturen um 400 Grad Celsius betrieben werden, wurden erstmals in den 1980er Jahren kommerziell verkauft. Allerdings erwies sich die Abdichtung der Elektroden aufgrund der Instabilität von Lithium als ernsthaftes Problem. Letztendlich verlangsamte das Problem der Batterietemperatur, Korrosion und des Temperaturanstiegs die Einführung von flüssigen Lithium-Schwefel-Zellen. Obwohl es theoretisch immer noch eine sehr leistungsstarke Batterie ist, fanden die Wissenschaftler heraus, dass etwas Energiedichte für Stabilität eingetauscht werden musste. Dies führte zur Entstehung der Lithium-Ionen-Technologie.

Lithium-Ionen-Batterien haben normalerweise eine Graphit-Kohlenstoff-Anode, die Li + -Ionen enthält, und eine Metalloxid-Kathode. Der Elektrolyt besteht aus einem Lithiumsalz (LiPF6, LiBF4, LiClO4) gelöst in einem organischen Lösungsmittel wie Ether. Da Lithium sehr heftig mit Feuchtigkeit reagiert, ist die Zelle immer geschlossen. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, sind die Elektroden außerdem durch ein poröses Material getrennt, das einen physischen Kontakt verhindert. Während des Ladevorgangs der Zelle werden Lithium-Ionen zwischen den Kohlenstoffmolekülen an der Anode eingebettet. An der Kathode werden Lithiumionen und Elektronen freigesetzt. Bei der Entladung passiert das Gegenteil: Li-Ionen verlassen die Anode und wandern zur Kathode. Da in der Zelle der Fluss von Ionen und Elektronen beteiligt ist, muss das System einen guten elektrischen und ionischen Leiter haben. 1990 entwickelte Sony die erste Li+-Batterie mit einer Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode und einer Kohlenstoff-Anode.

Insgesamt haben Lithium-Ionen-Zellen wichtige Vorteile, die sie für viele Anwendungen zur besten Wahl machen. Lithium ist das Metall mit der niedrigsten Molmasse und dem höchsten elektrochemischen Potential. Dadurch können Lithium-Ionen-Batterien eine sehr hohe Energiedichte aufweisen. Das typische Potenzial einer Lithiumzelle beträgt 3,6 V (Lithium-Kobalt-Kohlenoxid). Darüber hinaus haben sie mit 5 % eine viel geringere Selbstentladungsrate als Nickel-Cadmium-Batterien, die sich typischerweise mit 20 % selbst entladen. Darüber hinaus enthalten diese Elemente keine schädlichen Schwermetalle wie Cadmium und Blei. Schließlich haben Li+-akku keinen Memory-Effekt und müssen nicht aufgeladen werden. Dadurch ist die Wartung kostengünstiger als bei anderen Batterien.

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