Li-Ion ist eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemikalien nicht für sich beanspruchen können. Der Akku verfügt über kein Gedächtnis und muss nicht beansprucht werden (absichtliche vollständige Entladung), um ihn in gutem Zustand zu halten. Die Selbstentladung ist weniger als halb so hoch wie bei Systemen auf Nickelbasis, was den Anwendungen zur Kraftstoffanzeige zugute kommt. Die nominale Zellenspannung von 3,60 V kann Mobiltelefone, Tablets und Digitalkameras direkt mit Strom versorgen und bietet Vereinfachungen und Kostensenkungen gegenüber Mehrzellendesigns. Die Nachteile sind die Notwendigkeit von Schutzschaltungen zur Verhinderung von Missbrauch sowie der hohe Preis.
Arten von Lithium-Ionen-Batterien
Abbildung 1 veranschaulicht den Prozess.
Li-Ion ist eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemikalien nicht für sich beanspruchen können. Der Akku verfügt über kein Gedächtnis und muss nicht beansprucht werden (absichtliche vollständige Entladung), um ihn in gutem Zustand zu halten. Die Selbstentladung ist weniger als halb so hoch wie bei Systemen auf Nickelbasis, was den Anwendungen zur Kraftstoffanzeige zugute kommt. Die nominale Zellenspannung von 3,60 V kann Mobiltelefone, Tablets und Digitalkameras direkt mit Strom versorgen und bietet Vereinfachungen und Kostensenkungen gegenüber Mehrzellendesigns. Die Nachteile sind die Notwendigkeit von Schutzschaltungen zur Verhinderung von Missbrauch sowie der hohe Preis.
Der ursprüngliche Lithium-Ionen-Akku von Sony verwendete Koks als Anode (Kohleprodukt). Seit 1997 sind die meisten Li-Ionen-Hersteller, darunter auch Sony, auf Graphit umgestiegen, um eine flachere Entladungskurve zu erreichen. Graphit ist eine langzeitzyklenstabile Form von Kohlenstoff und wird in Bleistiften verwendet. Es ist das häufigste Kohlenstoffmaterial, gefolgt von Hart- und Weichkohlenstoffen. Nanoröhren-Kohlenstoffe haben in Li-Ionen noch keine kommerzielle Verwendung gefunden, da sie dazu neigen, sich zu verheddern und die Leistung zu beeinträchtigen. Ein zukünftiges Material, das verspricht, die Leistung von Li-Ionen zu steigern, ist Graphen.
Abbildung 2 zeigt die Spannungsentladungskurve eines modernen Li-Ion mit Graphitanode und der frühen Koksversion.
Um die Leistung der Graphitanode zu verbessern, wurden verschiedene Additive ausprobiert, darunter Legierungen auf Siliziumbasis. Es sind sechs Kohlenstoffatome (Graphitatome) erforderlich, um sich an ein einzelnes Lithiumion zu binden. Ein einzelnes Siliziumatom kann vier Lithiumionen binden. Dies bedeutet, dass die Siliziumanode theoretisch mehr als das Zehnfache der Energie von Graphit speichern könnte, die Ausdehnung der Anode während des Ladevorgangs ist jedoch ein Problem. Anoden aus reinem Silikon sind daher nicht praktikabel und normalerweise werden der Anode auf Siliziumbasis nur 3–5 Prozent Silizium zugesetzt, um eine gute Zyklenlebensdauer zu erreichen.
Die Verwendung von nanostrukturiertem Lithiumtitanat als Anodenadditiv zeigt eine vielversprechende Zyklenlebensdauer, gute Belastbarkeit, hervorragende Tieftemperaturleistung und überlegene Sicherheit, allerdings ist die spezifische Energie niedrig und die Kosten hoch.
Das Experimentieren mit Kathoden- und Anodenmaterialien ermöglicht es Herstellern, die intrinsischen Eigenschaften zu stärken, aber eine Verbesserung kann eine andere beeinträchtigen. Die sogenannte „Energiezelle“ optimiert die spezifische Energie (Kapazität), um lange Laufzeiten bei geringerer spezifischer Leistung zu erreichen; Die „Power Cell“ bietet außergewöhnliche spezifische Leistung, jedoch bei geringerer Kapazität. Die „Hybrid Cell“ ist ein Kompromiss und bietet ein bisschen von beidem.
Hersteller können relativ leicht eine hohe spezifische Energie und niedrige Kosten erzielen, indem sie Nickel anstelle des teureren Kobalts hinzufügen, aber dadurch wird die Zelle weniger stabil. Während sich ein Start-up-Unternehmen möglicherweise auf eine hohe spezifische Energie und einen niedrigen Preis konzentriert, um eine schnelle Marktakzeptanz zu erreichen, dürfen Sicherheit und Haltbarkeit keine Kompromisse eingehen. Seriöse Hersteller legen großen Wert auf Sicherheit und Langlebigkeit.
Die meisten Li-Ionen-Batterien haben ein ähnliches Design und bestehen aus einer positiven Metalloxidelektrode (Kathode), die auf einen Stromkollektor aus Aluminium aufgetragen ist, einer negativen Elektrode (Anode) aus Kohlenstoff/Graphit, die auf einen Stromkollektor aus Kupfer aufgetragen ist, einem Separator und einem Elektrolyten Hergestellt aus Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel. Weitere Informationen erhalten Sie bei teda battery.com.
Tabelle 3 fasst die Vorteile und Einschränkungen von Li-Ion zusammen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26.06.2022