Lithium-Ionen-Batterien

Das Funktionsprinzip einer elektrischen Batterie ist die Ansammlung elektrischer Energie während einer chemischen Reaktion, die auftritt, wenn ein elektrischer Ladestrom durch eine Batterie fließt, und die Erzeugung elektrischer Energie, wenn ein Entladestrom während einer chemischen Umkehrreaktion fließt.

Die Reversibilität der chemischen Reaktion in der Batterie ermöglicht es Ihnen, die Batterie wiederholt zu entladen und zu laden. Dies ist der Vorteil von Batterien gegenüber Einwegstromquellen, gewöhnlichen Batterien, bei denen nur Entladestrom möglich ist.

Als Medium für die Ladungsübertragung von einer Batterieelektrode zur anderen wird ein Elektrolyt verwendet - eine spezielle Lösung, aufgrund deren chemische Reaktion mit dem Material auf den Elektroden sowohl direkte als auch umgekehrte chemische Reaktionen in der Batterie möglich sind, wodurch die Batterie und geladen werden können sein Rang.

Heute ist einer der vielversprechendsten Batterietypen Lithium-Ionen-Akku. In diesen Batterien wirkt Aluminium als negative Elektrode (Kathode) und Kupfer als positive Elektrode (Anode). Die Elektroden können eine andere Form haben, üblicherweise eine Folie in Form eines Zylinders oder eine längliche Packung.

Auf Aluminiumfolie auftragen KathodenmaterialDies kann am häufigsten eines von drei sein: Lithiumcobaltat LiCoO2, Lithiumferrophosphat LiFePO4 oder Lithiummanganspinell LiMn2O4 und Graphit werden auf eine Kupferfolie aufgebracht. Lithiumferrophosphat LiFePO4 ist das einzige derzeit sichere Kathodenmaterial in Bezug auf Explosionsgefahr und Umweltfreundlichkeit im Allgemeinen.

Polymerelektrolyte, die aufgrund ihrer Plastizität Lithiumsalze in ihre Zusammensetzung einbauen können, ermöglichen die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit einer großen inneren Oberfläche und nahezu jeder Form, was sowohl die Herstellbarkeit der Produktion als auch die Gesamtabmessungen erheblich erhöht.

Beim Laden einer solchen Batterie bewegen sich Lithiumionen durch den Elektrolyten und sind in das Kristallgitter aus Graphit auf der Anode eingebettet und bilden sich Lithiumgraphitverbindung LiC6. Während der Entladung tritt der umgekehrte Prozess auf - Lithiumionen bewegen sich von der Anode zur Kathode (Oxidationsmittel), und Elektronen bewegen sich im externen Stromkreis zur Kathode, wodurch der Prozess elektrische Neutralität erlangt.

Die Nennspannung eines Lithium-Ionen-Akkus beträgt 3,6 Volt, die Potentialdifferenz während des Ladevorgangs kann jedoch 4,23 Volt erreichen. In Verbindung mit dieser Tatsache wird die Ladung bei der maximal zulässigen Spannung von nicht mehr als 4,2 Volt erzeugt.

Einige Lithiumverbindungen können sich leicht entzünden, wenn die Spannung überschritten wird. Daher werden sie traditionell in Lithium-Ionen-Batterien eingebaut Ladereglerdas erlaubt nicht, die kritische Spannung zu überschreiten. Ein weiteres Sicherheitsmerkmal ist das integrierte Ventil zur Entlastung des Beutels.

Lithium-Ionen-Batterien haben bereits ihren rechtmäßigen Platz auf dem Markt für tragbare Haushaltsgeräte eingenommen. Dies sind Batterien für Handys, Kameras, Camcorder, Tablets, Player usw.

Lithiumferrophosphat LiFePO4 Aufgrund seiner Umweltfreundlichkeit gilt es als das vielversprechendste Kathodenmaterial. Lithiumcobaltat LiCoO2 ist wiederum giftig und umweltschädlich, und bei darauf basierenden Batterien können nur 50% der Ionen aus der Struktur der Verbindung entfernt werden. Wenn Sie Lithium vollständig entfernen, wird die Struktur instabil, Kobalt geht in den Oxidationszustand + 4 und wird in der Lage sein, Sauerstoff zu oxidieren, und der freigesetzte atomare Sauerstoff wird den Elektrolyten oxidieren, und es wird eine Explosion auftreten.Batterien mit erhöhter Kapazität (basierend auf LiCoO2) sind extrem explosiv.

Lithiumferrophosphat LiFePO4 wurde 1997 von John Goodenough als Kathodenmaterial für Batterien für leistungsstärkere Geräte vorgeschlagen.

Lithiumferrophosphat ist in der Erdkruste vorhanden und wird in Zukunft keine Umweltprobleme verursachen. Sauerstoff kann nicht daraus freigesetzt werden, da alles sehr stark durch Phosphor unter Bildung eines stabilen Phosphationen gebunden ist. Für die Möglichkeit, dieses Material zu verwenden, musste es jedoch in kleine Partikel fragmentiert werden, da es sonst aufgrund seiner sehr geringen Leitfähigkeit ein Isolator bleiben würde. Die Partikel wurden lamellar mit kleinen Größen entlang der Bewegungsrichtung von Lithiumionen hergestellt und dann mit einer nanometerdicken Kohlenstoffschicht beschichtet.

Solche LiFePO4-Nanopartikel können sich in 10 Minuten aufladen, und wenn die Beschichtung noch modifiziert ist, wird die Ladezeit auf 1-3 Minuten reduziert. Dieses Material wird in Zukunft 10 Jahre lang Elektrofahrzeuge mit Strom versorgen können. Bereits technisch möglicher Lade- / Entladezyklus in 5-10 Minuten bei vollständiger Sicherheit.

Aus Sicht der modernen Wissenschaft ist die Entwicklung und Freisetzung von Even tragbarer Nanoakkumulator Das Warten wird nicht lange dauern, und das Wort ist nur für die breite technologische Umsetzung von Entwicklungen. Was die Aussichten für Elektrofahrzeuge betrifft, so können wir bereits jetzt davon ausgehen, dass sie in naher Zukunft zum Hauptverkehrsmittel in den Städten werden.