Ist Lithium-Ion die ideale Batterie?

- Aug 14, 2017-

Seit vielen Jahren war Nickel-Cadmium die einzige geeignete Batterie für tragbare Geräte von der drahtlosen Kommunikation bis zur mobilen Datenverarbeitung. Nickel-Metall-Hydrid und Lithium-Ionen tauchten Anfang der 90er Jahre auf und kämpften von Nase zu Nase, um die Akzeptanz beim Kunden zu gewinnen. Heute ist Lithium-Ion die am schnellsten wachsende und vielversprechendste Batteriechemie.

Die Lithium-Ionen-Batterie

Pionierarbeit mit der Lithiumbatterie begann 1912 unter GN Lewis, aber erst Anfang der 1970er Jahre wurden die ersten nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien kommerziell verfügbar. Lithium ist das leichteste aller Metalle, hat das größte elektrochemische Potential und bietet die größte Energiedichte für das Gewicht.

Versuche, wiederaufladbare Lithiumbatterien zu entwickeln, scheiterten an Sicherheitsproblemen. Wegen der inhärenten Instabilität von Lithiummetall, insbesondere während des Ladens, verlagerte sich die Forschung auf eine nichtmetallische Lithiumbatterie unter Verwendung von Lithiumionen. Lithiumion ist zwar etwas niedriger in der Energiedichte als Lithiummetall, ist jedoch sicher, vorausgesetzt, dass bestimmte Vorsichtsmaßnahmen beim Laden und Entladen getroffen werden. 1991 brachte die Sony Corporation die erste Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt. Andere Hersteller folgten.

Die Energiedichte von Lithium-Ionen ist typischerweise doppelt so groß wie die von Standard-Nickel-Cadmium. Es gibt Potenzial für höhere Energiedichten. Die Lastcharakteristiken sind einigermaßen gut und verhalten sich hinsichtlich der Entladung ähnlich wie Nickel-Cadmium. Die hohe Zellenspannung von 3,6 Volt ermöglicht Batteriepack-Designs mit nur einer Zelle. Die meisten heutigen Mobiltelefone laufen auf einer einzigen Zelle. Eine Packung auf Nickelbasis würde drei in Reihe geschaltete 1,2-Volt-Zellen erfordern.

Lithium-Ion ist eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, den die meisten anderen Chemikalien nicht beanspruchen können. Es ist kein Speicher vorhanden und es sind keine geplanten Zyklen erforderlich, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Darüber hinaus ist die Selbstentladung weniger als die Hälfte im Vergleich zu Nickel-Cadmium, wodurch sich Lithium-Ionen für moderne Tankanzeige-Anwendungen gut eignen. Lithium-Ionen-Zellen verursachen beim Entsorgen wenig Schaden.

Trotz seiner allgemeinen Vorteile hat Lithium-Ion seine Nachteile. Es ist zerbrechlich und erfordert eine Schutzschaltung, um einen sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten. Die Schutzschaltung, die in jedem Satz eingebaut ist, begrenzt die Spitzenspannung jeder Zelle während des Ladens und verhindert, dass die Zellenspannung beim Entladen zu niedrig fällt. Zusätzlich wird die Zelltemperatur überwacht, um extreme Temperaturen zu vermeiden. Der maximale Lade- und Entladestrom bei den meisten Packs ist auf 1C bis 2C begrenzt. Mit diesen Vorsichtsmaßnahmen ist die Möglichkeit einer metallischen Lithiumplattierung aufgrund von Überladung praktisch ausgeschlossen.

Alterung ist ein Problem mit den meisten Lithium-Ionen-Batterien und viele Hersteller schweigen über dieses Problem. Eine gewisse Kapazitätsverschlechterung ist nach einem Jahr bemerkbar, unabhängig davon, ob die Batterie in Gebrauch ist oder nicht. Die Batterie versagt häufig nach zwei oder drei Jahren. Es sollte beachtet werden, dass andere Chemikalien auch altersbedingte degenerative Effekte haben. Dies gilt insbesondere für Nickel-Metallhydrid, wenn es hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist. Gleichzeitig ist bekannt, dass Lithium-Ionen-Packs in einigen Anwendungen für fünf Jahre gedient haben.

Hersteller verbessern ständig Lithium-Ionen. Neue und verbesserte chemische Kombinationen werden alle sechs Monate oder so eingeführt. Bei so schnellem Fortschritt ist es schwierig abzuschätzen, wie gut die überarbeitete Batterie altern wird.

Lagerung an einem kühlen Ort verlangsamt den Alterungsprozess von Lithium-Ionen (und anderen Chemikalien). Hersteller empfehlen Lagertemperaturen von 15 ° C (59 ° F). Außerdem sollte die Batterie während der Lagerung teilweise aufgeladen werden. Der Hersteller empfiehlt eine Gebühr von 40%.

Die wirtschaftlichste Lithium-Ionen-Batterie in Bezug auf das Kosten-Energie-Verhältnis ist die zylindrische 18650 (Größe ist 18 mm x 65,2 mm ). Diese Zelle wird für mobile Computer und andere Anwendungen verwendet, die keine ultradünne Geometrie erfordern. Wenn eine schlanke Packung benötigt wird, ist die prismatische Lithium-Ionen-Zelle die beste Wahl. Diese Zellen haben einen höheren Aufwand an gespeicherter Energie.

Vorteile

  • Hohe Energiedichte - Potenzial für noch höhere Kapazitäten.

  • Muss nicht länger verlängert werden, wenn es neu ist. Eine reguläre Gebühr ist alles, was benötigt wird.

  • Relativ geringe Selbstentladung - Selbstentladung ist weniger als halb so groß wie bei Nickel-basierten Batterien.

  • Geringe Wartung - es ist keine periodische Entladung erforderlich; Es gibt keine Erinnerung.

  • Spezialzellen können Anwendungen wie Elektrowerkzeugen sehr hohe Ströme zuführen.

Einschränkungen

  • Erfordert eine Schutzschaltung, um Spannung und Strom in sicheren Grenzen zu halten.

  • Alterungsbedürftig, auch wenn nicht in Gebrauch - Lagerung an einem kühlen Ort mit 40% Ladung reduziert den Alterungseffekt.

  • Transportbeschränkungen - der Versand größerer Mengen kann der behördlichen Kontrolle unterliegen. Diese Einschränkung gilt nicht für persönliche Handbatterien.

  • Teuer herzustellen - etwa 40 Prozent teurer als Nickel-Cadmium.

  • Nicht voll ausgereift - Metalle und Chemikalien verändern sich ständig.

Die Lithium-Polymer-Batterie

Das Lithium-Polymer unterscheidet sich von herkömmlichen Batteriesystemen in der Art des verwendeten Elektrolyten. Das ursprüngliche Design stammt aus den 1970er Jahren und verwendet einen trockenen festen Polymerelektrolyten. Dieser Elektrolyt ähnelt einem kunststoffartigen Film, der keine Elektrizität leitet, aber Ionenaustausch (elektrisch geladene Atome oder Atomgruppen) ermöglicht. Der Polymerelektrolyt ersetzt den herkömmlichen porösen Separator, der mit Elektrolyt getränkt ist.

Die trockene Polymerkonstruktion bietet Vereinfachungen in Bezug auf Herstellung, Robustheit, Sicherheit und dünne Profilgeometrie. Mit einer Zellendicke von nur einem Millimeter (0,039 Zoll) bleiben die Konstrukteure ihrer Vorstellungen in Form, Form und Größe überlassen.

Unglücklicherweise leidet das trockene Lithium-Polymer an einer schlechten Leitfähigkeit. Der interne Widerstand ist zu hoch und kann nicht die aktuellen Bursts liefern, die benötigt werden, um moderne Kommunikationsgeräte mit Strom zu versorgen und die Festplatten von mobilen Computergeräten hochzufahren. Erwärmen der Zelle auf 60 ° C (140 ° F) und höher erhöht die Leitfähigkeit, eine Anforderung, die für tragbare Anwendungen ungeeignet ist.

Um Kompromisse zu machen, wurde etwas gelierter Elektrolyt hinzugefügt. Die kommerziellen Zellen verwenden eine Separator / Elektrolytmembran, die aus dem gleichen herkömmlichen porösen Polyethylen- oder Polypropylen-Separator hergestellt ist, der mit einem Polymer gefüllt ist, das beim Füllen mit dem flüssigen Elektrolyten geliert. Somit sind die kommerziellen Lithiumionen-Polymerzellen in Chemie und Materialien ihren Gegenstücken mit flüssigen Elektrolyten sehr ähnlich.

Lithium-Ionen-Polymer hat sich nicht so schnell durchgesetzt, wie einige Analysten erwartet hatten. Seine Überlegenheit gegenüber anderen Systemen und die niedrigen Herstellungskosten wurden nicht realisiert. Es werden keine Verbesserungen bei den Kapazitätsgewinnen erzielt - tatsächlich ist die Kapazität etwas geringer als die der Standard-Lithium-Ionen-Batterie. Lithium-Ionen-Polymer findet seine Marktnische in hauchdünnen Geometrien wie Batterien für Kreditkarten und andere derartige Anwendungen.

Vorteile

  • Sehr flaches Profil - Batterien, die dem Profil einer Kreditkarte ähneln, sind möglich.

  • Flexibler Formfaktor - Hersteller sind nicht an Standardzellenformate gebunden. Bei hohem Volumen kann jede vernünftige Größe wirtschaftlich hergestellt werden.

  • Leichtgewichtige, gelierte Elektrolyte ermöglichen eine vereinfachte Verpackung durch Eliminierung der Metallhülle.

  • Verbesserte Sicherheit - beständiger gegen Überladung; weniger Chance für Elektrolytverlust.

Einschränkungen

  • Geringere Energiedichte und verringerte Zykluszahl im Vergleich zu Lithium-Ionen.

  • Teuer in der Herstellung.

  • Keine Standardgrößen Die meisten Zellen werden für große Verbrauchermärkte produziert.

  • Höheres Kosten-Energie-Verhältnis als Lithium-Ionen

Beschränkungen des Lithiumgehalts für Flugreisen

Flugreisende stellen die Frage: "Wie viel Lithium in einer Batterie darf ich mitbringen?" Wir unterscheiden zwei Batterietypen: Lithiummetall und Lithiumion.
Die meisten Lithium-Metall-Batterien sind nicht wiederaufladbar und werden in Filmkameras verwendet. Lithium-Ionen-Akkus sind wiederaufladbare und leistungsstarke Laptops, Mobiltelefone und Camcorder. Beide Batterietypen, einschließlich Ersatzpackungen, sind als Handgepäck zulässig, dürfen jedoch den folgenden Lithiumgehalt nicht überschreiten:
- 2 Gramm für Lithiummetall- oder Lithiumlegierungsbatterien
- 8 Gramm für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien von mehr als 8 Gramm, jedoch nicht mehr als 25 Gramm, dürfen im Handgepäck mitgeführt werden, wenn sie einzeln geschützt sind, um Kurzschlüsse zu vermeiden, und auf zwei Ersatzbatterien pro Person beschränkt sind.

Woher weiß ich den Lithiumgehalt einer Lithium-Ionen-Batterie? Aus theoretischer Sicht gibt es in einer typischen Lithium-Ionen-Batterie kein metallisches Lithium. Es gibt jedoch einen äquivalenten Lithiumgehalt, der berücksichtigt werden muss. Für eine Lithiumionenzelle wird dies mit dem 0,3-fachen der Nennkapazität (in Amperestunden) berechnet. 7.2KWH LiFePO4 Battery mechanical design for home energy.jpg
Beispiel: Eine 2Ah 18650 Li-Ion-Zelle hat einen Lithiumgehalt von 0,6 Gramm. Bei einer typischen 60-Wh-Laptopbatterie mit 8 Zellen (4 in Reihe und 2 parallel) summiert sich das auf 4,8 g. Um unter der 8-Gramm-UN-Grenze zu bleiben, ist die größte Batterie, die Sie bringen können, 96 Wh. Dieses Paket könnte 2.2Ah-Zellen in einer 12-Zellen-Anordnung (4s3p) enthalten. Würde stattdessen die 2.4Ah-Zelle verwendet, müsste die Packung auf neun Zellen (3s3p) beschränkt werden.

Einschränkungen beim Versand von Lithium-Ionen-Batterien

  • Jeder, der Lithium-Ionen-Batterien in loser Schüttung verschickt, ist dafür verantwortlich, die Transportvorschriften einzuhalten. Dies gilt für nationale und internationale Transporte zu Lande, zu Wasser und in der Luft.

  • Lithium-Ionen-Zellen, deren äquivalenter Lithiumgehalt 1,5 Gramm oder 8 Gramm pro Batteriesatz überschreitet, müssen als "gefährliches Material der Klasse 9" versandt werden. Die Zellkapazität und die Anzahl der Zellen in einer Packung bestimmen den Lithiumgehalt.

  • Ausgenommen sind Verpackungen, die weniger als 8 Gramm Lithium enthalten. Enthält eine Sendung jedoch mehr als 24 Lithium-Zellen oder 12 Lithium-Ionen-Akkus, sind spezielle Markierungen und Versanddokumente erforderlich. Jedes Paket muss so gekennzeichnet sein, dass es Lithiumbatterien enthält.

  • Alle Lithium-Ionen-Batterien müssen gemäß den Spezifikationen in UN 3090 unabhängig vom Lithiumgehalt geprüft werden (UN-Handbuch zu Prüfungen und Kriterien, Teil III, Unterabschnitt 38.3). Diese Vorsichtsmaßnahme schützt vor dem Versand von fehlerhaften Batterien.

  • Zellen und Batterien müssen getrennt werden, um einen Kurzschluss zu verhindern, und in starken Boxen verpackt werden.