Lithium-Ionen-Verständnis

- Aug 14, 2017-

Es wurde nicht bis Anfang der 1970er Jahre die ersten nicht-wiederaufladbare Lithium-Batterien im Handel erhältlich. Versuche, wieder aufladbare Lithium-Batterien zu entwickeln folgte in den 1980er Jahren, aber das Vorhaben scheiterte Instabilitäten in der metallischen Lithium als Anodenmaterial verwendet.

Lithium ist das leichteste aller Metalle, hat das größte elektrochemische Potential und bietet die größte spezifische Energie pro Gewicht. Akkus mit Lithiummetall auf der Anode (negative Elektroden) könnte außerordentlich hohe Energiedichten bieten, aber Radfahren produziert unerwünschte Dendriten auf der Anode, die durchdringen des Trennzeichens und einen Kurzschluss verursachen könnten. Die Zellentemperatur schnell steigen würde und nähert sich der Schmelzpunkt von Lithium, verursacht thermische Instabilität, auch bekannt als "Entlüftung mit Flamme."

Die inhärente Instabilität Lithium Metall, vor allem während des Ladevorgangs verschoben Forschung mit einem nicht-metallischen Lösung überLithium-Ionen. Obwohl weniger spezifische Energie als Lithium-Metall, Li-Ion ist sicher, Zelle Hersteller bereitgestellt und Batterie Packer folgen Sicherheitsmaßnahmen in Spannung und Ströme auf ein sicheres Niveau zu halten. 1991 Sony vermarktet die erste Lithium-Ionen-Batterie, und diese Chemie ist heute die vielversprechendsten und am schnellsten wachsenden auf dem Markt. Unterdessen weiterhin Forschung eine sichere metallischen Lithium-Batterie in der Hoffnung, es sicher zu machen.

Im Jahr 1994, es kostete mehr als $10 in die 18650 Lithium-Ionen-Herstellung * zylindrische Zelle liefert eine Kapazität von 1, 100mAh. Im Jahr 2001 fiel der Preis auf $2 und die Kapazität stieg auf 1, 900mAh. Heute hohe Energiedichte 18650 Zellen liefern mehr als 3, 000mAh und die Kosten sind weiter gesunken. Kostensenkung, Erhöhung der spezifischen Energie und das Fehlen von toxisches Material asphaltierten Straße um Lithium-Ionen-allgemein akzeptablen Akku für portable Anwendung, stellen Sie zunächst in der Industrie und jetzt zunehmend auch in Schwerindustrie, einschließlich elektrischer Antriebe für Fahrzeuge.

Im Jahr 2009 wurden rund 38 Prozent aller Batterien nach Umsatz Li-Ion. Li-Ion ist eine wartungsarme Batterie, ein Vorteil, den viele andere Chemikalien behaupten können. Die Batterie hat kein Gedächtnis und braucht nicht trainieren um fit zu bleiben. Selbstentladung ist weniger als die Hälfte im Vergleich zu Nickel-basierten Systemen. Dadurch werden Lithium-Ionen-gut geeignet für Kraftstoff Anwendungen zu messen. Die nominale Zellspannung von 3.6V kann Handys und Digitalkameras direkt Strom bietet Vereinfachungen und Kosteneinsparungen über Multizelle Designs. Der Nachteil ist der hohe Preis, aber diese Nivellierung, vor allem in den Consumer-Markt gewesen.

Arten von Lithium-Ionen-Batterien

Ähnlich wie Blei und Nickel-Basis-Architektur verwendet Lithium-Ionen-eine Kathode (positive Elektrode), eine Anode (negative Elektrode) und Elektrolyt als Dirigent. Die Kathode ist ein Metalloxid und die Anode besteht aus porösem Kohlenstoff. Während der Entladung die Ionen fließen von der Anode zur Kathode durch den Elektrolyt und Separator; kostenlos kehrt die Richtung um und die Ionen fließt von der Kathode zur Anode. Abbildung 1 veranschaulicht den Prozess.
Abbildung 1: Ionen-Fluss in Lithium-Ionen-Akku
Wenn die Zelle lädt und entlädt, shuttle-Ionen zwischen Kathode (positive Elektrode) und Anode (negative Elektrode). Über die Entlastung die Anode erfährt, Oxidation oder Verlust von Elektronen, und die Kathode sieht eine Reduzierung oder einen Gewinn von Elektronen. Kostenlos kehrt die Bewegung.

Alle Materialien in einer Batterie besitzen eine theoretische spezifische Energie, und der Schlüssel zu hoher Kapazität und überlegene Leistungsentfaltung liegt vor allem in derKathode. Für den letzten 10 Jahren oder so hat die Kathode die Lithium-Ionen-Batterie gekennzeichnet. Gemeinsame Kathodenmaterial sindLithium-Cobalt-Oxid(oder Lithium Cobaltate),Lithium-Mangan-Oxid(auch bekannt als Spinell oder Lithium Manganate)Lithium-Eisen-Phosphat,als auchLithium Nickel-Mangan-Kobalt(oder NMC) ** undLithium Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid(oder NCA).

Sonys original Lithium-Ionen-Akku verwendet Koks als Anode (Kohle-Produkt), und seit 1997 die meisten Lithium-Ionen-Batterien verwenden Graphit, um ein flacher Entladekurve zu erreichen. Entwicklungen auch an der Anode auftreten und verschiedene Additive ausprobiert, darunter Silizium-Basis-Legierungen. Silizium erreicht einen 20 bis 30 Prozent Anstieg der spezifischen Energie auf Kosten der unteren Lastströme und Lebensdauer reduziert. NanostrukturierteLithium-Titanatals Anode Additiv zeigt viel versprechende Lebensdauer, gute Last Fähigkeiten, hervorragende Niedertemperatur-Leistung und höchste Sicherheit, sondern die spezifische Energie ist gering.

Mischen von Kathode und Anode Material ermöglicht den Herstellern, die innere Qualitäten zu stärken; Allerdings kann eine Verbesserung in einem Bereich etwas beeinträchtigen. Batterie-Hersteller können, z. B. spezifische Energie (Kapazität) für längere Laufzeit optimieren, erhöhen spezifischen Leistung für verbesserte Strombelastung, verlängern Lebensdauer für bessere Langlebigkeit und erhöhen die Sicherheit für anstrengende Umweltexposition, aber die Nachteil, auf höhere Kapazität sinkt laden; Optimierung für hohe Stromhandling senkt die spezifische Energie, und eine robuste Zelle für verbesserte Sicherheit und lange Lebensdauer Batterie vergrößert und erhöht die Kosten durch eine dickere Separator. Das Trennzeichen wird als der teuerste Teil einer Batterie bezeichnet.

Tabelle 2 fasst die Eigenschaften der Li-Ion mit verschiedenen Kathodenmaterial. Die Tischlimits der Chemikalien zu den vier am häufigsten verwendeten Lithium-Ionen-Systeme und gilt die Kurzform um sie zu beschreiben. NMC steht für Nickel-Mangan-Kobalt, eine Chemie, ist relativ neu und für hohe Kapazität und hohe Strombelastung zugeschnitten werden kann. Lithium-Ionen-Polymer wird nicht erwähnt, da dies keine einzigartige Chemie und unterscheidet sich nur im Bauwesen. Li-Polymer kann in verschiedenen Chemikalien hergestellt werden und das am häufigsten verwendete Format ist Li-Kobalt.

 
SpecificationsLi-CobaltLi-ManganeseLi-PhosphateNMC 1Voltage3.60V3.70V3.30V3.60/3.70VCharge limit4.20V4.20V3.60V4.20VCycle Leben 2500500 – 1,0001,000 – 2,0001,000 – 2, 000Operating TemperatureAverageAverageGoodGoodSpecific energy150 – 190Wh / kg100 – 135Wh/kg90 – 120Wh/kg140Wh/KgSpecific power1C10C, 40C pulse35C continuous10CSafetyAverage. Erfordert eine Schutzschaltung und Cell-balancing der Zelle Multipack. Anforderungen für kleine Formate mit 1 oder 2 Zellen RelaxedVery gut sein kann, braucht Cell-balancing und V ProtectionGood, braucht Zelle Balancingand Spannung ProtectionThermal Runaway 3150° C (302° F) 250° C (482° F) 270° C (518° F) 210° C (410° F) CostRaw material HighMaterial 30 % weniger als CobaltHighHighIn verwenden, since1994200219992003Researchers, ManufacturersSony, Sanyo, FDK, SaftNEC, Samsung, HitachiUT, QH, MIT A123, ValenceSony, Sanyo, Nissan MotorNotesVery hohe spezifische Energie, begrenzte macht; für Handys, LaptopsHigh Kraft, mittlere bis hohe spezifische Energie, Elektrowerkzeuge, Medizintechnik, EVsHigh macht durchschnittliche spezifische Energie, höhere Selbstentladung als andere Li-IonVery hohe spezifische Energie, hohe Leistung; Instrumente, medizinisch, EVs
Tabelle 2: Merkmale der vier am häufigsten verwendeten Lithium-Ionen-Batterien
Spezifische Energie bezieht sich auf Kapazität (Energiespeicherung); spezifische Leistung bezeichnet Belastbarkeit.
 
1NMC, NCM, CMN, CNM, MNC und MCN sind im Grunde das gleiche. Die Stöchiometrie ist in der Regel Li[Ni(1/3)Co(1/3)Mn(1/3)] O2. Die Reihenfolge der Ni, Mn und Co spielt keine Rolle, much.2Application und Umwelt regieren Lebensdauer; die Zahlen gelten nicht immer correctly.3A vollgeladenen Akku erhöht die thermische außer Kontrolle geratenen Temperatur, eine Partialladung senkt.

* Standard einer zylindrischen Lithium-Ionen-Zelle in der Mitte der 1990er Jahre entwickelt; 18mm im Durchmesser und 65mm in der Länge misst; häufig verwendet für Laptops.

** Einige Lithium Nickel Kobalt Manganoxid-Systeme gehen durch Benennung der NCM, CMN, CNM, MNC und MCN. Die Systeme sind im Grunde das gleiche.