Inhaltsverzeichnis
- 1. Die Batteriefamilie
- 2. Batterieterminologie erklärt
- 3. Klassifizierung von Lithiumbatterien
- 4. Spannung und Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus
- Batteriekapazität: Nennkapazität und tatsächliche Kapazität
- Berechnungsmethode für die Batterieenergie:
- 5. Warum Lithium-Ionen-Batterien wählen?
- 6. Sicherheitsprobleme mit Lithiumbatterien
- 7. Anwendungen von Lithiumbatterien
Da immer mehr Menschen die Energiespeicherbranche verstehen müssen und Batterien das Herzstück der Energiespeicherung sind, hat Vatrer relevante Materialien zusammengestellt und eine übersichtliche Reihe von Ressourcen für einfaches Lernen organisiert. Wir glauben, dass Sie nach dem Lesen dieser Materialien ein relativ professionelles Wissensgerüst über Batterien entwickeln und ein Halbexperte werden. Wir wünschen Ihnen eine angenehme Lernerfahrung!
1. Die Batteriefamilie
Batterietypen und ihre Eigenschaften
Primärbatterien (Trockenzellen)- Zink-Kohle-Batterien: Dies ist der einfachste Batterietyp, der häufig in Alltagsgeräten wie Fernbedienungen und Wanduhren verwendet wird. Sie sind preiswert, haben aber eine begrenzte Lebensdauer und eine geringe Energiedichte.
- Blei-Säure-Batterien: Dies ist der gebräuchlichste und kostengünstigste Typ wiederaufladbarer Batterien. Sie werden häufig in Fahrzeugen zum Starten von Motoren und in kleinen Elektrofahrzeugen zur Stromversorgung verwendet. Sie sind jedoch schwer und haben eine relativ geringe Energiedichte.
- Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd): Diese Batterien waren einst in frühen digitalen Geräten wie großen Mobiltelefonen („Klötzen“) weit verbreitet, sind jedoch aufgrund der darin enthaltenen giftigen Schwermetalle mit erheblichen Umweltproblemen verbunden. Sie leiden außerdem unter dem Memory-Effekt, der bei wiederholter Verwendung zu einer Verringerung der Effizienz führt, und werden mittlerweile weitgehend ausgemustert.
- Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus: Diese Batterien werden in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Entladung über kurze Zeiträume erfordern, wie z. B. in medizinischen Geräten und einigen Hybridfahrzeugen. Sie bieten eine bessere Energiedichte als NiCd-Batterien und sind weniger umweltschädlich.
- Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Akkus werden häufig in modernen tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops und zunehmend auch in Elektrofahrzeugen verwendet. Sie bieten eine hohe Energiedichte und längere Lebensdauer ohne den Memory-Effekt von NiCd-Akkus.
- Durchflussbatterien: Diese Batterien verwenden zwei in Flüssigkeiten gelöste chemische Komponenten, die durch eine Membran getrennt sind. Sie sind eine vielversprechende Technologie für die Energiespeicherung im großen Maßstab, beispielsweise zur Netzspeicherung, da sie theoretisch durch Vergrößerung der Speichertanks leicht skaliert werden können. Für die meisten mobilen Anwendungen befinden sie sich jedoch noch in der Entwicklungsphase.
Jeder Batterietyp hat seine spezifischen Anwendungen, Vorteile und Einschränkungen, die seine Eignung für verschiedene Anwendungen in verschiedenen Sektoren beeinflussen. Mit dem technologischen Fortschritt wird erwartet, dass neuere Batterietypen wie Festkörperbatterien und fortschrittliche Lithiumbatterien Verbesserungen in Bezug auf Sicherheit, Energiedichte und Umweltverträglichkeit bieten.
Der Begriff „Lithiumbatterie“ bezog sich ursprünglich auf Lithium-Metall-Batterien, also Primärbatterien. Aufgrund ihrer Explosionsgefahr werden sie jedoch nicht mehr verwendet. Wenn wir heute von Lithiumbatterien sprechen, meinen wir im Allgemeinen Lithium-Ionen-Batterien. Die üblichen AA- und AAA-Batterien, die wir täglich verwenden, sind Beispiele für Trockenzellen. In den Anfangsjahren wurden in großen Mobiltelefonen, die oft als „Ziegel“ bezeichnet wurden, Nickel-Metallhydrid-Batterien verwendet. Kleine Elektrofahrzeuge verwenden typischerweise Blei-Säure-Batterien, die oft in Vierergruppen verpackt und ordentlich in einer quadratischen Formation angeordnet sind. Mittlerweile verwenden unsere Smartphones, Laptops und sogar Elektroautos überwiegend Lithium-Ionen-Batterien.
Vergleich der wichtigsten elektrochemischen Energiespeicherbatterien
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Akku-Typ |
Spezifische Energie (Wh/kg) | Spezifische Leistung (W/kg) | Zyklenlebensdauer (Tausende) | Systemkosten ($/kWh) | Kosten pro kWh ($/kWh) | Lade-Entlade-Effizienz (%) | Sicherheit | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ionen-Akku | 75-250 | 150-315 | 2,5-5 | 350-560 | 0,126–0,168 | 85-98 | Hoch | Hohe spezifische Energie, gute Zyklenleistung, hohe Lade-Entlade-Effizienz | Hohe Kosten, Empfindlichkeit gegenüber Überladung und Tiefentladung, Sicherheitsverbesserungen bei niedrigen Temperaturen erforderlich |
| Blei-Kohle-Batterie | 30-60 | 75-300 | 2-4 | 175-252 | 0,063-0,098 | 80-90 | Medium | Gute Zyklenleistung, niedrige Kosten pro kWh, recycelbar | Bleibelastung, geringe spezifische Energie, hoher Platzbedarf |
| Redox-Flow-Batterie (Vanadium, Zink-Brom) | 15-85 | 50-170 | 2-10 | 280-840 | 0,098–0,168 | 60-75 | Medium | Vanadium ist sicherer, kostengünstiger und skalierbarer | Zink-Brom kann Dampfleckagen bergen, hohen Platzbedarf |
| Natrium-Schwefel-Batterie | 150-240 | 90-230 | 2-3 | 280-420 | 0,126–0,168 | 70-85 | Medium | Hohe spezifische Energie, hohe Leistungsabgabe, umweltfreundlich | Hohe Betriebstemperatur, gefährlich bei Überladung und Tiefentladung, Risiko eines Natriumaustritts |
2. Batterieterminologie erklärt
SOX : Der vollständige Begriff lautet „State Of X“, wobei X verschiedene Aspekte des Status einer Batterie darstellen kann:
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H steht für Gesundheit
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C steht für Capacity
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P steht für Power
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E steht für Energie
Dies ist analog zur Beschreibung der Spezifikationen eines Motors wie Hubraum, Leistung, Energie und Betriebszeit. Im Wesentlichen liefert SOX einen umfassenden Status der aktuellen Betriebsparameter der Batterie.
SOC (Ladezustand): Dies bezieht sich auf den Ladezustand, den eine Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, ähnlich der Wassermenge in einem Eimer. Eine vollständig entladene Batterie hat einen Ladezustand von 0, während eine vollständig geladene Batterie einen Ladezustand von 1 hat. Er wird berechnet, indem die verfügbare Kapazität durch die tatsächliche Kapazität geteilt wird.
Verteidigungsministerium (Entladetiefe): Gibt an, wie tief eine Batterie entladen wurde. Wenn die Batterie vollständig geladen ist, beträgt ihre Entladetiefe 0. Wenn sie vollständig entladen ist, beträgt die Entladetiefe 1. Unter normalen Bedingungen ist die Entladetiefe also ein Wert zwischen 0 und 1. Die Beziehung zwischen Entladetiefe und SOC kann wie folgt ausgedrückt werden: Entladetiefe + SOC = 1.
SOH (State of Health): Dies bezieht sich auf die aktuelle tatsächliche Kapazität der Batterie im Vergleich zu ihrer anfänglichen Nennkapazität. Mit zunehmendem Alter der Batterie nimmt ihr SOH ab. Der SOH wird üblicherweise anhand der Kapazität und des Innenwiderstands bestimmt. Die am häufigsten zitierte Definition des SOH, die auf dem Kapazitätsabfall basiert, lautet wie folgt:
Wo:
- ist die aktuelle Kapazität der Batterie
- ist die Nennkapazität der Batterie
3. Klassifizierung von Lithiumbatterien
Basierend auf der praktischen Leistung:
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Antriebsart: Diese Batterien sind für kurze Phasen hoher Leistungsabgabe ausgelegt und eignen sich für Anwendungen, die eine schnelle Energieentladung erfordern.
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Energieart: Diese sind für die Langzeit-Energiespeicherung optimiert und ideal für Anwendungen, die eine kontinuierliche Energielieferung über längere Zeiträume benötigen.
Basierend auf der physischen Form:
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Zylindrisch: Diese Batterien haben die Form eines Zylinders.
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Prismatisch (Stahl/Aluminiumgehäuse): Diese haben eine rechteckige oder quadratische Form und sind mit Stahl oder Aluminium ummantelt.
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Beutel (Aluminium-Kunststofffolie): Diese Batterien verwenden ein flexibles Gehäuse aus Aluminium-Kunststoff-Folie.
Basierend auf Elektrolytmaterial:
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Flüssige Lithium-Ionen-Batterie (LIB): Diese Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten und werden häufig in Stromversorgungsanwendungen eingesetzt.
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Polymer-Lithium-Ionen-Akku (PLB): Diese ersetzen den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Polymerelektrolyten, der entweder „trocken“ oder „gelartig“ sein kann, wobei die meisten einen Polymergelelektrolyten verwenden. Streng genommen handelt es sich bei Festkörperbatterien um Batterien, bei denen sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt fest sind.
Basierend auf dem Kathodenmaterial:
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Lithiumeisenphosphat (LFP) : Bekannt für Sicherheit und lange Lebensdauer.
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Lithiumkobaltoxid (LCO): Bekannt für hohe Energiedichte, aber relativ kurze Lebensdauer.
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Lithium-Mangan-Oxid (LMO): Bietet ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kapazität.
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Binäre Batterien: Lithium-Nickel-Manganoxid (LiNiMnO2) / Lithium-Nickel-Kobaltoxid (LiNiCoO2).
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Ternäre Batterien: Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (NCM) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA).
Basierend auf Anodenmaterial:
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Lithiumtitanat (LTO): Bekannt für schnelles Laden und hohe Zyklenfestigkeit.
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Graphenbatterie: Verwendet Graphen für erhöhte Leitfähigkeit und Kapazität.
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Nano-Kohlefaser-Batterie: Verwendet Kohlenstofffasern im Nanomaßstab, wodurch Oberfläche und Leitfähigkeit verbessert werden.
Diese Klassifizierung umreißt verschiedene Typen von Lithiumbatterien, die sich aufgrund ihrer Leistungsmerkmalen, physikalischen Bauweise und Materialzusammensetzung jeweils für unterschiedliche Anwendungen eignen.
18650 Batterie
Das Modell 18650 ist ein Lithium-Ionen-Akku, ähnlich den Standardgrößen von Trockenzellen wie AA-, AAA- und C-Batterien. Das Modell 18650 war das erste Lithium-Ionen-Akkumodell, das von Sony in Japan aus Kostengründen entwickelt wurde. Es entspricht einem standardisierten Format, bei dem „18“ für einen Durchmesser von 18 mm, „65“ für eine Länge von 65 mm und „0“ für eine zylindrische Form steht. Zu den gängigen Typen von 18650-Akkus gehören Lithium-Ionen- und Lithium-Eisenphosphat-Varianten (LiFePO4). Lithium-Ionen-Akkus des Typs 18650 haben typischerweise eine Nennspannung von 3,7 V, eine Ladeschlussspannung von 4,2 V und Kapazitäten von 1200 mAh bis 3350 mAh. Lithium-Eisenphosphat-Akkus haben eine Nennspannung von 3,2 V, eine Ladeschlussspannung von 3,6 V und typische Kapazitäten von 2200 mAh bis 2600 mAh.
Vorteile der 18650 Batterie:
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Standardisierung: Die 18650-Batterie ist der älteste, ausgereifteste und stabilste Typ von Lithium-Ionen-Batterien. Japanische Hersteller haben einen hohen Konsistenzstandard erreicht, sodass einzelne Zellen bei Problemen problemlos ausgetauscht werden können.
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Sicherheit: 18650-Batterien haben im Allgemeinen ein Stahlgehäuse, das einen besseren Schutz gegen mögliche Kollisionen bietet. Darüber hinaus hat sich die Sicherheit dieser Batterien im Laufe der Zeit durch Fortschritte in den Herstellungsprozessen verbessert. Obwohl Lithiumbatterien mit Stahlgehäuse explosionsgefährdet sein können, sind moderne 18650-Zellen mit Sicherheitsventilen ausgestattet. Diese lassen nicht nur übermäßigen Innendruck ab, sondern trennen die Zelle auch physisch von externen Schaltkreisen, wodurch die problematische Zelle effektiv isoliert wird, um die Sicherheit anderer Zellen im Batteriepack zu gewährleisten.
Andere Batterietypen haben jedoch auch Vorteile. Polymer-Lithium-Batterien beispielsweise sind relativ sicherer, haben eine höhere Energiedichte und explodieren im schlimmsten Fall nicht, sondern verbrennen normalerweise. Sie können individuell gestaltet werden, was jedoch die Forschungs- und Entwicklungskosten erhöht und die Universalität einschränkt.
Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP)
Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), auch bekannt als LFP, ist eine Art Kathodenmaterial, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Es ist durch das Fehlen von Kobalt und anderen teuren Elementen gekennzeichnet und aufgrund der reichlichen Verfügbarkeit seiner Bestandteile – Phosphor, Lithium und Eisen – in der Erdkruste kostengünstig, was eine stetige Materialversorgung gewährleistet. LFP-Batterien bieten eine moderate Betriebsspannung (3,2 V), eine hohe Kapazität (170 mAh/g), eine hohe Entladeleistung, schnelle Ladefähigkeit und eine lange Lebensdauer. Sie bleiben auch unter hohen Temperatur- und Hitzebedingungen hochstabil.
4. Spannung und Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus
Die Spannung von Lithium-Ionen-Akkus variiert je nach Entladestrom, Umgebungstemperatur und den für Anode und Kathode verwendeten Materialien.
Dieses Diagramm stellt die Entladekurven einer Panasonic 2550 mAh Lithium-Ionen-Batterie mit Lithium-Kobaltoxid als Kathodenmaterial dar. Die drei Kurven zeigen von oben nach unten die Änderungen in Spannung und Kapazität bei drei verschiedenen Entladeströmen.
Während des Lade- und Entladevorgangs ändert sich die Spannung kontinuierlich. Am Beispiel von 490 mA beträgt die Leerlaufspannung der Batterie bei voller Ladung 4,2 V. Mit fortschreitender Entladung nimmt die Spannung (vertikale Achse) allmählich ab und die entladene Kapazität (horizontale Achse) steigt an, bis die Spannung bei 3,5 V stark abfällt. Obwohl sich die Spannung während des gesamten Entladevorgangs ändert, wird der Einfachheit halber die durchschnittliche Spannung von 3,7 V während der gleichmäßigen Entladephase als Batteriespannung bezeichnet. Diese Spannung wird auch als Nennspannung bezeichnet.
Die hier gemessene Spannung liegt bei niedrigem Strom und Raumtemperatur vor und sinkt mit steigendem Entladestrom und sinkender Temperatur.
Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Batteriespannung beeinflusst, sind die für Anode und Kathode verwendeten Materialien. Die oben erwähnte Panasonic-Batterie verwendet Lithiumkobaltoxid und Graphit für Kathode und Anode, die in früheren Jahren Standardmaterialien in der Lithiumbatterieindustrie waren. Mit der Verwendung neuer Materialien in Batterien sind in den letzten Jahren einige Lithiumbatterien mit 3,6 V oder 3,8 V auf den Markt gekommen. Diese Batterien verwenden andere Kathodenmaterialien und können im Vergleich zu Lithiumkobaltoxidbatterien die Energiedichte erhöhen, was bedeutet, dass sie mehr Energie pro Gewichts- und Volumeneinheit speichern.
| Batterietyp | Ladeschlussspannung | Nennspannung | Entladeschlussspannung |
|---|---|---|---|
| Lithium-Ionen-Akku | 4,2 V | 3,7 V | 2,7 V |
| Lithium-Eisenphosphat-Batterie | 3,6 V | 3,2 V | 2,0 V |
Batteriekapazität: Nennkapazität und tatsächliche Kapazität
Die Batteriekapazität wird im Allgemeinen in tatsächliche Kapazität und Nennkapazität unterteilt:
- Tatsächliche Kapazität : Dies bezieht sich auf die tatsächliche Strommenge, die eine Batterie unter bestimmten Entladebedingungen abgibt. Die tatsächliche Kapazität ist immer niedriger als die theoretische Kapazität.
- Nennkapazität : Diese wird während der Konstruktion und Herstellung der Batterie als die Mindestmenge an Strom definiert, die die Batterie unter bestimmten Bedingungen abgeben sollte.
Die Batteriekapazität wird üblicherweise in Amperestunden (Ah) gemessen, wobei einzelne Zellen der Einfachheit halber oft in Milliamperestunden (mAh) angegeben werden. Wenn die Nennkapazität einer Batterie beispielsweise 1300 mAh beträgt, bedeutet dies, dass die Batterie 10 Stunden lang einen Strom von 130 mA entladen kann (1300 mAh / 130 mA = 10 h). Diese Berechnung geht von einem idealen Szenario aus, in dem der Entladestrom konstant bleibt, was in realen Anwendungen mit digitalen Geräten unwahrscheinlich ist.
Die Kapazität von 18650 Lithiumbatterien reicht normalerweise von 1200 mAh bis 3600 mAh.
Bei Smartphone-Akkus lautet die Maßeinheit mAh. Im naturwissenschaftlichen Unterricht lernen wir, dass dies eine Einheit für elektrische Ladung ist und dass man sie mit der Spannung multiplizieren muss, um sie in eine Energieeinheit umzuwandeln.
Methode zur Berechnung der Batteriekapazität :
Q = Es
Berechnungsmethode für die Batterieenergie:
W=UIt
Warum wird der Energieverbrauch bei Geräten wie Smartphones in einer Einheit elektrischer Ladung gemessen? Dies liegt hauptsächlich daran, dass Lithium-Ionen-Batterien in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones Lithiumkobaltoxid als Kathode verwenden, um die Größe der Batterien zu minimieren. Dieses Kathodenmaterial hat eine hohe Packungsdichte. Da das in Smartphone-Batterien verwendete Kathodenmaterial einheitlich ist, ist die Batteriespannung relativ konstant (theoretisch 3,7 V, obwohl dies je nach Herstellungsprozess verschiedener Hersteller leicht variieren kann). Darüber hinaus enthalten Smartphones normalerweise nur eine Einzelzellenbatterie (zu den jüngsten Ausnahmen gehört ein Smartphone-Modell mit zwei 2000-mAh-Batterien). Daher reicht es im Allgemeinen aus, nur die Kapazität zu messen, um die Energiemenge zu messen, die eine Batterie speichern kann.
Bei Computerbatterien wird jedoch häufig sowohl die Kapazität (Ladung) als auch die Energie angezeigt. Dies liegt daran, dass Computer nicht nur eine einzige Batterie haben, sondern mehrere Batterien, die in Reihe und parallel geschaltet sind und einen Batteriesatz bilden. Daher kann die Kapazität allein nicht zur Messung der Energiespeicherung verwendet werden. In der Physik in der Schule lernen wir Folgendes: Bei Batterien desselben Modells bleibt die Spannung des Batteriesatzes unverändert, wenn Batterien parallel geschaltet werden, aber seine Kapazität steigt. Wenn Batterien in Reihe geschaltet werden, bleibt die Kapazität des Batteriesatzes unverändert, aber seine Spannung steigt.
Nehmen wir als Beispiel diesen Laptop, den ich zur Hand habe. Die Spezifikationen lauten „57,4 Wh/7565 mAh bei 7,6 V (typische Kapazität).“ Dies deutet darauf hin, dass der Akku aus vier Lithium-Ionen-Akkus mit einer Kapazität von jeweils 3782,5 mAh und einer Spannung von 3,8 V besteht, die in einer seriell-parallelen Anordnung konfiguriert sind. Die Berechnung 7565 mAh × 7,6 V = 57,494 Wh bestätigt dies.
Warum nicht einfach zwei 7565-mAh-Akkus in Reihe verwenden? Die Herstellung von Akkus mit einer Kapazität von bis zu 7565 mAh wäre hinsichtlich der Produktionsanforderungen anspruchsvoller. Außerdem ist ein 3782,5-mAh-Akku tatsächlich die Größe, die normalerweise in Smartphones verwendet wird. Für Fabriken kann eine einzige Produktionslinie, die Akkus sowohl für Smartphones als auch für Laptops herstellen kann, Kosten senken.
Schauen wir uns als Nächstes die Akkuspezifikationen eines anderen Laptops an, wie im Bild unten dargestellt.
Um die Lebensdauer einer Batterie genau zu messen, ist es daher zuverlässiger, die Energiekapazität zu betrachten. Lassen Sie uns diese selbst berechnen.
5. Warum Lithium-Ionen-Batterien wählen?
Leicht
Lithium-Ionen-Batterien haben eine Energiedichte von etwa 200-260 Wh/kg, verglichen mit Blei-Säure-Batterien mit 50-70 Wh/kg und Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) mit 40-70 Wh/kg. Das bedeutet, dass die beiden anderen Batterietypen bei gleicher Kapazität 3-5 Mal schwerer sind. Daher sind Lithium-Batterien bei der Gewichtsreduzierung von Energiespeichern absolut im Vorteil.
Die volumetrische Energiedichte von Lithiumbatterien beträgt typischerweise etwa das 1,5-fache der von Bleibatterien, und NiMH-Batterien haben nur 60-80 % der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Bei gleicher Kapazität beanspruchen Lithiumbatterien also auch weniger Volumen.
Schnelles Laden
Aufgrund der lebhaften Natur der Lithium-Ionen-Leistung bewegen sich die Ionen schnell innerhalb der Batterie, was höhere Ladeströme und schnellere Ladegeschwindigkeiten ermöglicht. Eine Lithium-Ionen-Batterie kann in etwa 3 Stunden vollständig aufgeladen werden; NiMH-Batterien laden dagegen sehr langsam und benötigen normalerweise etwa einen Tag, um vollständig aufgeladen zu werden.
Kein Memory-Effekt
Der Memory-Effekt bezeichnet ein Phänomen, bei dem Batteriematerialien durch Gebrauch kristallisieren. Bei nickelbasierten Batterien können die Kristalle auf den Nickelplatten grob werden, wenn sie zu lange entladen bleiben, wodurch der Kontakt mit dem Elektrolyt verringert wird und es zu Kapazitätsverlust kommt. Durch mehrere vollständige Lade-Entlade-Zyklen können die Kristalle verfeinert und die Kapazität teilweise wiederhergestellt werden, was als „Aktivierung“ bezeichnet wird.
Lithiumbatterien weisen jedoch keinen Memory-Effekt auf und erfordern lediglich 3–5 normale Lade-Entlade-Zyklen, um die Batterie zu aktivieren und ihre normale Kapazität wiederherzustellen.
Umweltfreundlich
Im Rahmen von Umweltrichtlinien zur Reduzierung der Umweltverschmutzung können die Herstellung, Verwendung und das Recycling von Bleibatterien bei unsachgemäßer Handhabung Umweltverschmutzung verursachen. Lithiumbatterien sind aufgrund ihrer besseren Verpackung und Versiegelung tendenziell umweltfreundlicher.
6. Sicherheitsprobleme mit Lithiumbatterien
Lithiumbatterien sind leicht und lassen sich schnell aufladen. Aber warum sind andere Arten von Sekundärbatterien wie Bleibatterien noch im Umlauf? Neben den Kosten und unterschiedlichen Anwendungsbereichen ist ein weiterer Grund die Sicherheit.
Lithium ist eines der reaktivsten Metalle. Aufgrund seiner hochreaktiven chemischen Eigenschaften reagiert Lithiummetall bei Kontakt mit Luft heftig mit Sauerstoff, was zu Explosionen und Verbrennungen führen kann. Darüber hinaus treten während des Lade- und Entladevorgangs in Lithiumbatterien Redoxreaktionen auf. Explosionen und Selbstentzündungen werden hauptsächlich durch die Ansammlung von Wärme verursacht, die während dieser Prozesse entsteht und nicht schnell genug abgeführt und freigesetzt werden kann. Einfach ausgedrückt erzeugen Lithiumbatterien während des Ladens und Entladens viel Wärme, was zu einem Anstieg der Innentemperatur und ungleichmäßigen Temperaturen zwischen den einzelnen Zellen führt und somit zu einer Instabilität der Batterieleistung führt.
Thermisches Durchgehen
Unsicheres Verhalten von Lithium-Ionen-Batterien (einschließlich Überladung, Tiefentladung, schnelles Laden und Entladen, Kurzschluss, mechanischer Missbrauch und Einwirkung hoher Temperaturen) kann gefährliche Nebenreaktionen im Inneren der Batterie auslösen, die Hitze erzeugen und die Passivierungsschichten auf den Oberflächen der Anode und Kathode direkt beschädigen.
Es gibt viele Auslöser für thermisches Durchgehen bei Lithium-Ionen-Batterien, die je nach Art des Auslösers in drei Typen eingeteilt werden können: mechanischer Missbrauch, elektrischer Missbrauch und thermischer Missbrauch.
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Mechanischer Missbrauch: Umfasst Schäden durch Autokollisionen, Durchstiche, Quetschungen oder schwere Aufpralle.
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Elektrischer Missbrauch: Wird im Allgemeinen durch unsachgemäßes Spannungsmanagement oder Fehler in elektrischen Komponenten verursacht, einschließlich Kurzschluss, Überladung und Tiefentladung.
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Thermischer Missbrauch: Verursacht durch unsachgemäßes Temperaturmanagement, das zu Überhitzung führt.
Diese drei Auslösemechanismen sind, wie oben dargestellt, miteinander verbunden. Mechanischer Missbrauch führt typischerweise zu einer Verformung oder einem Bruch des Batterieseparators, was zu direktem Kontakt und Kurzschluss zwischen Anode und Kathode führt, was wiederum zu elektrischem Missbrauch führt. Bei elektrischem Missbrauch erhöht die Zunahme der Joule-Erwärmung die Batterietemperatur, was zu thermischem Missbrauch führt. Dies löst darüber hinaus eine Kette exothermer Reaktionen innerhalb der Batterie aus, die letztendlich zu einem thermischen Durchgehen führt.
Thermisches Durchgehen tritt auf, weil die Wärmeerzeugungsrate der Batterie ihre Wärmeableitungsrate bei weitem übersteigt und die Wärme sich ansammelt, ohne rechtzeitig freigesetzt zu werden. Im Grunde ist „thermisches Durchgehen“ ein Energiezyklus mit positiver Rückkopplung: Erhöhte Temperaturen führen dazu, dass sich das System erwärmt, was wiederum die Temperatur weiter erhöht und das System noch heißer macht.
Der Prozess des thermischen Durchgehens:
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Die Innentemperatur steigt, die SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) auf der Oberfläche zersetzt sich bei hohen Temperaturen. In Graphit eingebettete Lithiumionen reagieren mit dem Elektrolyt und dem Bindemittel und treiben die Batterietemperatur auf bis zu 150 °C, wobei neue heftige exotherme Reaktionen auftreten.
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Wenn die Batterietemperatur über 200 °C steigt, zersetzt sich das Kathodenmaterial und setzt große Mengen Wärme und Gas frei, wodurch die Batterie anschwillt und sich weiter erhitzt. Bei 250–350 °C beginnt die lithiierte Anode mit dem Elektrolyt zu reagieren.
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Im geladenen Zustand erfährt das Kathodenmaterial heftige Zersetzungsreaktionen und der Elektrolyt heftige Oxidationsreaktionen, wodurch große Mengen Wärme freigesetzt werden, hohe Temperaturen und große Mengen Gas entstehen und die Batterie verbrannt oder explodiert.
Überladung und Bildung von Lithiumdendriten:
Bei Lithium-Kobaltoxid-Batterien verbleiben nach dem vollständigen Laden eine große Anzahl von Lithiumionen an der Kathode. Dies bedeutet, dass die Anode keine weiteren an der Kathode haftenden Lithiumionen aufnehmen kann. Beim Überladen wandern die überschüssigen Lithiumionen jedoch weiterhin zur Anode. Da sie nicht vollständig aufgenommen werden können, bildet sich an der Anode metallisches Lithium. Dieses metallische Lithium bildet eine dendritische (astartige) Kristallstruktur, die daher als Dendriten bezeichnet wird. Wenn diese Dendriten zu lang werden, können sie den Separator durchbohren, was zu einem internen Kurzschluss führt. Da der Hauptbestandteil des Elektrolyten ein Carbonatester ist, der einen niedrigen Zünd- und Siedepunkt hat, kann er sich bei hohen Temperaturen entzünden oder sogar explodieren.
Bei Polymer-Lithium-Batterien ist der Elektrolyt gelartig, was zu stärkeren Verbrennungen führen kann. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler versucht, sicherere Kathodenmaterialien zu verwenden. Lithium-Manganoxid-Batterien haben gewisse Vorteile, da sie gewährleisten können, dass die Lithiumionen an der Kathode bei vollständiger Ladung vollständig in die Kohlenstoffporen der Anode eingebettet werden können und nicht wie bei Lithium-Kobaltoxid Rückstände an der Kathode hinterlassen. Dadurch wird die Dendritenbildung bis zu einem gewissen Grad vermieden. Aufgrund der stabilen Struktur von Lithium-Manganoxid sind seine oxidativen Eigenschaften wesentlich geringer als die von Lithium-Kobaltoxid und selbst bei externen Kurzschlüssen (im Gegensatz zu internen) kann es die Ausfällung von metallischem Lithium, die zu Verbrennungen und Explosionen führen würde, weitgehend verhindern. Lithium-Eisenphosphat hat eine noch höhere thermische Stabilität und eine geringere Oxidationsfähigkeit des Elektrolyten und ist daher sicherer.
Altern
Zu den äußeren Erscheinungsformen der Alterung von Lithium-Ionen-Akkus zählen Kapazitätsverlust und erhöhter Innenwiderstand. Zu den inneren Alterungsmechanismen zählen der Verlust von aktivem Material an Anode und Kathode sowie der Verlust nutzbarer Lithium-Ionen.
Wenn es zu einer Verschlechterung des Anodenmaterials kommt und dadurch die Kapazität der Anode verringert wird, steigt auch das Risiko einer Lithiumablagerung an der Anode.
Bei Tiefentladung und anderen Szenarien kann das Lithiumpotential an der Anode über 3 V steigen und das Auflösungspotential von Kupfer überschreiten, was zur Auflösung des Kupferstromkollektors führt. Gelöste Kupferionen können sich auf der Kathodenoberfläche absetzen und Kupferdendriten bilden. Diese Dendriten können den Separator durchdringen, einen internen Kurzschluss verursachen und die Batteriesicherheit erheblich beeinträchtigen.
Darüber hinaus nimmt die Überladetoleranz gealterter Batterien tendenziell ab, was hauptsächlich auf den erhöhten Innenwiderstand und die Verringerung des aktiven Materials an den Elektroden zurückzuführen ist, was zu einer erhöhten Joule-Erhitzung während der Überladung führt. Dies kann bei niedrigeren Überladestufen Nebenreaktionen auslösen und zu einem thermischen Durchgehen führen. Die thermische Stabilität wird drastisch reduziert, wenn an der Anode eine Lithiumbeschichtung auftritt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sicherheitsleistung gealterter Batterien erheblich reduziert ist, was ernste Sicherheitsrisiken birgt.
Lösung
Die gängigste Lösung besteht darin, das Batteriespeichersystem mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) auszustatten. Beispielsweise werden die 8000 18650-Batterien, die im Tesla Model S verwendet werden, von einem Batteriemanagementsystem verwaltet, das eine Echtzeitüberwachung verschiedener physikalischer Parameter der Batterien ermöglicht, ihren Nutzungszustand beurteilt und Online-Diagnosen und Warnungen durchführt. Es verwaltet auch die Entlade- und Vorladesteuerung, den Batterieausgleich und das Wärmemanagement.
7. Anwendungen von Lithiumbatterien
Derzeit werden in Lithiumbatterie-Energiespeichersystemen überwiegend Lithiumeisenphosphat-Batterien (LFP) verwendet. Lithiumeisenphosphat-Batterien bieten eine Reihe einzigartiger Vorteile, darunter hohe Betriebsspannung, hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit.
Ternäre Lithiumbatterien sind Lithiumbatterien, die Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (NCM) oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) als Kathodenmaterial, Graphit als Anodenmaterial und Lithiumhexafluorophosphat als primäres Lithiumsalz im Elektrolyt verwenden. Das Kathodenmaterial enthält drei Metallelemente – Nickel, Kobalt und Mangan/Aluminium – daher der Name „ternär“. Ternäre Lithiumbatterien werden hauptsächlich im Bereich der Leistungsbatterien verwendet.
Erweiterte Einsatzmöglichkeiten von Lithiumbatterien
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Elektrofahrzeuge (EVs) : Eine der bekanntesten Anwendungen von Lithiumbatterien ist die Elektrofahrzeugindustrie. Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer bevorzugt, die für den Antrieb von Elektroautos über lange Strecken unerlässlich sind.
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Speicherung erneuerbarer Energien : Da die Welt zunehmend auf erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind umsteigt, die naturgemäß nur unregelmäßig zur Verfügung stehen, besteht ein wachsender Bedarf an effizienten Energiespeichersystemen. Lithiumbatterien werden zunehmend eingesetzt, um überschüssige Energie, die während Spitzenproduktionszeiten erzeugt wird, zu speichern und in Zeiten geringer Produktion zu nutzen.
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Unterhaltungselektronik : Lithiumbatterien sind das Rückgrat moderner tragbarer Elektronik, darunter Smartphones, Laptops, Tablets und Elektrowerkzeuge. Ihre Fähigkeit, große Energiemengen auf kleinem Raum zu speichern, macht sie ideal für diese Anwendungen.
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Luft- und Raumfahrt und Verteidigung : Lithiumbatterien werden in verschiedenen Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt, von der Stromversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen bis hin zur Energieversorgung militärischer Geräte. Aufgrund ihres hohen Energie-Gewichts-Verhältnisses eignen sie sich für Anwendungen, bei denen das Gewicht ein kritischer Faktor ist.
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Medizinische Geräte : Tragbare medizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Hörgeräte und tragbare Diagnoseinstrumente sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf Lithiumbatterien angewiesen.
Fortschritte in der Lithiumbatterietechnologie
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Festkörperbatterien : Forscher entwickeln Festkörperbatterien, die anstelle der herkömmlichen Flüssigkeit oder des Gels einen festen Elektrolyten verwenden. Diese Änderung könnte die Sicherheit und Energiedichte von Lithiumbatterien erheblich verbessern.
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Lithium-Schwefel-Batterien : Lithium-Schwefel-Batterien versprechen eine höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Herausforderungen wie die kurze Lebensdauer und der Polysulfid-Shuttle-Effekt werden angegangen, um diese Technologie rentabel zu machen.
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Recyclingtechnologien : Mit der zunehmenden Verwendung von Lithiumbatterien steigt auch der Bedarf an effektiven Recyclingmethoden, um wertvolle Materialien zurückzugewinnen und die Umweltbelastung zu verringern. Fortschritte in der Recyclingtechnologie machen den Prozess effizienter und umweltfreundlicher.
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Verbesserte Anodenmaterialien : Die Forschung an neuen Anodenmaterialien wie Silizium zielt darauf ab, die Kapazität und Effizienz von Lithiumbatterien zu erhöhen. Siliziumanoden können theoretisch zehnmal mehr Lithium aufnehmen als Graphitanoden, allerdings treten bei ihnen Probleme mit der Volumenausdehnung während des Ladens auf.
Zukunftsaussichten
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Zunehmende Nutzung von Speichern im Versorgungsmaßstab : Da die Kosten weiter sinken, ist zu erwarten, dass Lithiumbatterien in Netzspeicheranwendungen häufiger zum Einsatz kommen und so zur Stabilisierung der Versorgung und zur Integration eines höheren Anteils erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz beitragen.
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Verbesserte Sicherheitsfunktionen : Der Schwerpunkt der Innovationen liegt weiterhin darauf, Lithiumbatterien durch verbesserte interne Designs und externe Schutzmechanismen sicherer zu machen und so das mit diesen Batterien verbundene Brand- und Explosionsrisiko zu verringern.
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Verbesserungen der globalen Lieferkette : Es werden Anstrengungen unternommen, um die Lieferkette für Lithium und andere wichtige Mineralien nachhaltiger und geografisch weniger konzentriert zu gestalten, potenzielle Engpässe zu reduzieren und eine stetige Materialversorgung sicherzustellen.
