Lithiumbatterien oder Lithium - Ionen - Batterien
Lithiumbatterien sind neue Hochenergiebatterien, die im 20. Jahrhundert entwickelt wurden. Sie können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: Lithium-Primärbatterien und Lithium-Ionen-Batterien . Primäre Lithiumbatterien, die nicht wiederaufladbar sind , verwenden häufig Lithiummetall oder Lithiumverbindungen als Anodenmaterial, ähnlich wie Knopfbatterien. Aufladbare Lithium-Ionen-Batterien verwenden Lithium-Ionen als Ladungsträger und bewegen diese während der Lade- und Entladezyklen zwischen der Anode und der Kathode. Umgangssprachlich wird der Begriff „Lithiumbatterie“ oft speziell für Lithium-Ionen-Batterien verwendet, da diese in modernen Geräten weit verbreitet und beliebt sind. Daher konzentriert sich der folgende Artikel auf Lithium-Ionen-Batterien.
Der Aufbau von Lithium -Ionen - Batterien
Das Verständnis der Struktur von Lithiumbatterien ist entscheidend für das Verständnis ihrer Funktionsweise. Der Grundaufbau einer Lithium-Ionen-Batterie besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten:
Kathode
Enthält normalerweise Lithiumverbindungen wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumkobaltoxid (LiCoO2).
Anode
Typischerweise bestehen sie aus Nicht-Lithium-Elementen wie Graphit oder Silizium.
Separator
Eine Polymermembran mit mikroporöser Struktur, die den Durchtritt von Lithium-Ionen ermöglicht und gleichzeitig den Elektronenfluss blockiert.
Elektrolyt
Normalerweise eine organische Substanz, die die freie Bewegung von Lithium-Ionen ermöglicht.
Batteriegehäuse
Typischerweise ein Gehäuse, das die oben genannten Komponenten umhüllt und verschiedene Formen wie quadratische oder zylindrische Batterien bildet.
Funktionsprinzipien von Lithium-Ionen-Batterien
Nachdem wir die Struktur von Lithium-Ionen-Batterien verstanden haben, können wir uns nun mit ihren Funktionsprinzipien befassen.
Aufladen
Während des Ladevorgangs werden Lithiumionen aus der Lithiumverbindung in der positiven Elektrode extrahiert. Diese Lithiumionen wandern durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode und betten sich in die Mikrolöcher des negativen Elektrodenmaterials ein.
Entladen
Während des Entladevorgangs (wenn die Batterie verwendet wird) wandern Lithiumionen, die in der Kohlenstoffschicht der negativen Elektrode eingebettet sind, zurück zur positiven Elektrode. Je mehr Lithiumionen zur positiven Elektrode zurückkehren, desto höher ist die Entladekapazität. Die allgemein als Batteriekapazität bezeichnete Batteriekapazität ist im Wesentlichen die Entladekapazität.
Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batterien
Die Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batterien kann auf mehreren Faktoren basieren, einschließlich der Art der in den Elektroden verwendeten Materialien, des Elektrolyten, des Aussehens und spezifischer Anwendungen. Hier finden Sie eine Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batterien anhand verschiedener Kriterien:
Durch positives Elektrodenmaterial
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Monovalent (ein Element):
- Lithiumeisenphosphat (LFP)
- Lithiumkobaltoxid (LCO)
- Lithiummanganoxid (LMO)
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Zweiwertig (zwei Elemente):
- Nickel-Mangan-Lithium
- Nickel-Kobalt-Lithium
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Dreiwertig (drei Elemente):
- Nickel-Kobalt-Mangan-Lithium (NCM)
- Nickel-Kobalt-Aluminium-Lithium (NCA)
Durch negatives Elektrodenmaterial
- Lithiumtitanat (LTO)
- Graphen-Batterien
- Nanokohlenstofffaserbatterien
Durch Elektrolytmaterial
- Flüssige Lithium-Ionen-Batterien (LIB)
- Polymer-Lithium-Ionen-Batterien (PLB)
Nach Aussehen
- Zylindrische Lithiumbatterien
- Beutel-Lithiumbatterien
- Quadratische Lithiumbatterien
Auf Antrag
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Power-Batterien:
- Elektrische Fahrzeuge
- Elektrofahrräder
- Elektrowerkzeuge
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Energiespeicherbatterien:
- Stationäre Energiespeichersysteme für Privathaushalte
- Unternehmen
- Anwendungen auf Grid-Ebene
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Batterien für Unterhaltungselektronik:
- Smartphones
- Laptops
- Kameras
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Tragfähig
Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien
Energiedichte
Unter Energiedichte versteht man die Energiemenge, die pro Volumen- oder Gewichtseinheit in der Batterie gespeichert werden kann. Diese Eigenschaft von Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht es Elektrofahrzeugen im Vergleich zu anderen Batterietypen, mit einer einzigen Ladung längere Strecken zurückzulegen. Dies bedeutet auch eine höhere Raumeffizienz, was für Hausbesitzer von Vorteil ist, die möglicherweise nur über begrenzten Platz für Energiespeichersysteme verfügen.
Hochspannung
Unter Hochspannung in Lithiumbatterien versteht man das erhöhte elektrische Potenzial oder die erhöhte Spannung, die diese Batterien während des Betriebs bereitstellen. Lithiumbatterien werden im Vergleich zu anderen Batterietypen typischerweise mit höheren Spannungsniveaus betrieben. Beispielsweise haben Lithium-Ionen-Akkus üblicherweise eine Nennspannung von 3,7 Volt pro Zelle und ermöglichen so eine höhere Leistungsabgabe, was gut zu den Anforderungen von Smartphones und Kameras passt.
Kein Memory - Effekt _
Wenn Sie jemals Akkus wie Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) verwendet haben, stellen Sie möglicherweise fest, dass Akkus sich scheinbar ihre Ladekapazität „merken“ und nicht mehr die volle Kapazität liefern können, wenn sie vor dem Aufladen nicht vollständig entladen werden. Ohne Memory-Effekt können Sie einen Lithium-Akku jedoch in jedem Ladezustand aufladen, ohne dass er sich an die vorherigen Ladezyklen „erinnert“.
Geringe Selbstentladungsrate _ _ _ _ _
Lithiumbatterien weisen eine geringe Selbstentladungsrate auf, was bedeutet, dass sie im Leerlauf weniger von ihrer gespeicherten Energie verlieren. Dies ist von Vorteil für Geräte, die über längere Zeiträume ohne nennenswerten Verlust der Batteriekapazität unbenutzt bleiben können.
Lange Lebensdauer _ _ _
Unter langer Zyklenlebensdauer versteht man die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, die eine Batterie unter Beibehaltung einer akzeptablen Leistung durchlaufen kann. Lithium-Ionen-Akkus haben eine lange Lebensdauer und können zahlreiche Lade- und Entladezyklen überstehen. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, die eine dauerhafte und wiederholte Nutzung erfordern, wie z. B. Elektrofahrzeuge (EVs) und erneuerbare Energiesysteme.
Umweltfreundlich _ _
Lithiumbatterien gelten als umweltfreundlicher als einige Alternativen. Unabhängig von Produktion, Verwendung und Recycling enthält oder produziert es keine giftigen und schädlichen Schwermetallelemente und Substanzen wie Blei, Quecksilber und Cadmium. Gleichzeitig können Lithium, Nickel, Kobalt und andere Elemente, die aus ausrangierten Lithiumbatterien gewonnen werden, zur Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden, wodurch die Umweltbelastung verringert wird.
Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien
Sicherheits-Bedenken
Bei Lithium-Ionen-Batterien kann es unter ungewöhnlichen Bedingungen zu Problemen wie Überhitzung, Kurzschlüssen oder Explosionen kommen. Allerdings weisen Lithium-Mangan-Oxid- (LMO) und Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) hinsichtlich des Materials selbst eine höhere Stabilität auf und weisen im Vergleich zu ternären Lithiumbatterien eine deutlich geringere Entzündungsgefahr auf. Daher sind Lithium-Manganoxid- und Lithium-Eisenphosphat-Batterien aus Sicherheitsgründen relativ stabiler.
Überladung und Tiefentladung
Überladung und Tiefentladung können zur Zersetzung interner Komponenten in Lithiumbatterien führen und diese unwiederbringlich machen. Daher benötigen Lithium-Ionen-Batterien Schutzschaltungen, um eine Überladung zu verhindern. Die Installation eines Batteriemanagementsystems (BMS) ist zur Überwachung und Gewährleistung der Sicherheit unerlässlich. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie überladen wird, kann dies zum Zerfall des Elektrolyten führen, was zu einer Gasfreisetzung und einem möglichen thermischen Durchgehen führen kann.
Hohe Kosten
Die Produktionskosten von Lithiumbatterien sind aufgrund teurer Materialien und strenger Herstellungsanforderungen hoch. Darüber hinaus können für Verbraucher höhere Einkaufskosten anfallen. Die Nachfrage nach Materialien wie Lithium, Kobalt und Nickel trägt in Verbindung mit fortschrittlichen Herstellungsprozessen zu den erhöhten Kosten von Lithiumbatterien für Hersteller und Endverbraucher gleichermaßen bei.
Entwicklungsstand und zukünftiger Trend
Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung werden Lithium-Ionen-Batterien häufig in drei Hauptszenarien eingesetzt: Stromversorgung, Energiespeicherung und Verbraucheranwendungen, mit enormen Entwicklungsaussichten.
- Power-Lithium-Batterien werden hauptsächlich in Elektrofahrzeugen, Elektrofahrrädern, Elektrowerkzeugen usw. verwendet.
- Lithiumbatterien zur Energiespeicherung finden ihre Hauptanwendung in Szenarien wie Kommunikationsbasisstationen, Energiespeichern für Privathaushalte und netzunabhängigen Kraftwerken.
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Verbraucher-Lithiumbatterien werden hauptsächlich in Unterhaltungselektronikprodukten wie Mobiltelefonen, Laptops sowie neuen Geräten wie Bluetooth-Kopfhörern und tragbaren Geräten eingesetzt.
Abschluss
Unter Lithiumbatterien versteht man Batterien mit lithiumhaltigen positiven Elektroden und kann in Lithium-Primärbatterien (nicht wiederaufladbare Batterien) und Lithium-Ionen-Batterien (wiederaufladbare Batterien) unterteilt werden. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch verschiedene Eigenschaften wie hohe Energiedichte, hohe Spannung, geringe Selbstentladung, lange Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit aus. Allerdings haben sie auch Nachteile, darunter Sicherheitsbedenken und hohe Kosten. Mit der Entwicklung der Lithiumbatterietechnologie werden die zukünftigen Anwendungen von Lithiumbatterien weiter zunehmen. Verbraucher sollten beim Kauf vernünftige Entscheidungen treffen, die auf ihren Bedürfnissen, Zwecken und Budgets basieren.
