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Lithium-Ionen Zellen

Merkmale von wiederaufladbaren Lithium-Ionen Zellen

Lithium ist das kleinste und leichteste metallische Element.  Es hat das höchste elektrochemische Potential (im Vergleich zu normalen Wasserstoffelektroden) was es zu einem der stärksten Reduzieragenten und damit zum elektro-aktivsten aller Metalle macht.  Wiederaufladbare Zellen, welche die Lithium-Eigentschaften als beschleunigendes Gast-Atom benutzen, sind Grundlage für die Zunahme an Hochstrombatterien und hohen Energiedichten, welche optimal für Automobile und Einsatzwerkzeuge geeignet sind.
Lithium-Ion Zellen benutzen normalerweise eine auf Kohlenstoff basierende Anode, obwohl Lithium Titanat Anoden seit kurzem erhältlich sind.  Verschiedene Materialien können für Kathoden benutzt werden, jedes mit verschiedenen Eigenschaften und elektrochemischen Leistungen (siehe unten).  Die Elektrolyte sind normalerweise ein gelöstes Lithium Salz in einer nicht-wässrigen anorganischen Flüssigkeit. Die Lithium Batterien Technologie entwickelt sich immer noch weiter und es besteht ein beträchtliches Potential für weitere Fortschritte.  Forschungen konzentrieren sich hauptsächlich auf die Entwicklung von Kathodenmaterial.  Das Kathodenmaterial hat für gewöhnlich die Eigenschaft Strom zu speichern (in Form von Lithium), pro Einheitenmasse und Volumen, was den verfügbaren Materialien zur Bildung negativer Elektroden gegenüber unterlegen ist.  Dementsprechend können die meisten Leistungssteigerungen in Sachen Energie und Energiedichte in der Entwicklung neuer Hochstrom Materialien für die positive Elektrode gefunden werden.

Andere Lithium Chemikalien

Lithium-Eisen-Phosphat - LiFePO4

Auf Phosphat basierende Technologien haben bessere thermische und chemische Stabilitäten, welche sie gegenüber anderen Lithium-Ion Technologien hervorheben.  Lithium Phosphat Zellen sind feuerfest im Falle einer Überladung oder von Missbrauch und sind deshalb widerstandsfähiger im Fall von Kurzschlüssen und extremen Temperaturen. Im Falle einer missbräuchlichen Anwendung, gibt die auf Phosphat basierende Kathode keinen Sauerstoff ab, verbrennt nicht und ist dementsprechend unempfindlich gegen Hitze.  Lithium-Eisen-Phosphat Zellen haben auch eine längere Lebensdauer (1000 - 2500 Zyklen).
Lithium-Eisen-Phosphat Batterien haben eine niedrigere Energiedichte als Kobalt, aber unterstützen höhere Spannungen und dementsprechend höhere Ströme.  Sie sind bedeutend besser als Lithium-Kobalt-Oxid Zellen in Sachen Preis, Sicherheit und Giftigkeit.

Lithium-Kobalt-Oxid - LiCoO2

Lithium-Kobalt-Oxid wurde in den letzten Jahren meist als Kathodenmaterial für Lithium Batterien benutzt.  Es gewährleistet eine angemessene Lebensdauer (>500 Zyklen) und Energiedichte.  Allerdings, ist die chemische Zusammenstellung nicht so temperaturwiderstandsfähig wie andere und dementsprechend brandgefährlicher bei missbräuchlichem Umgang. Hierzu gehören Zellenpunktion oder eine zu hohe Spannung, die zu einer Schmelzung oder sogar einem Brand führen können.  Diese Charakteristiken machen sie sehr unattraktiv für Elektro- und Hybridfahrzeuge.

Lithium-Mangan-Oxid Spinell - LiMn2O4

Lithium Mangan Oxid Spinell leistet eine höhere Zellenspannung als auf Kobalt basierende Chemien und ist temperaturwiderstandsfähiger.  Allerdings ist die Energiedichte 20 mal geringer.  Mangan, im Gegensatz zu Kobalt, ist ein sichereres und umweltfreundlicheres Kathodenmaterial dank der niedrigen Giftigkeit.  Andere Vorteile sind der niedrige Preis und bessere Leistungen unter Hitze.

Lithium (NCM) - Nickel-Kobalt-Mangan - Li(NiCoMn)O2

Batterien die Lithium Nickel Kobalt Mangan Oxide benutzen sind ein Kompromiss zwischen elektrochemischer Leistung und Kosten.  Die elektrochemische Leistung ist besser als die von  LiFePO4 und LiCoO2 in Sachen Kapazität und Energiedichte.  Die Entladungsrate und die dadurch resultierende Energiedichte resultieren aus der elektrochemischen Leistung, die besser als LiCoO2 ist aber nicht besser als LiFePO4.

Lithium-Titanat-Oxid (LTO) - Li4Ti5O12

Diese Zellen ersetzen die Graphit Anode mit Lithium-Titanat.  Diese Anode ist besonders kompatibel mit jeder der oben erwähnten Kathoden, wird aber für gewöhnlich nur in Verbindung mit Hochspannungsmaterialien auf Mn-Basis Materialien verwendet wegen dem hohen Potential gegenüber Li/Li+.  Sie bieten eine höhere Entladungsrate und Leistung in Kombination mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen.  Im Vergleich zu Graphit Anoden gelten diese als sicherer dank hohem Potential und dem eingebauten Überladungsschutz.  Sie sind auch ein unbelastetes Einlagenmaterial das keine große passivierende Schicht auf den Elektrolyten aufbaut und somit die Zyklusdauer erhöht.  Allerdings neigen Lithium Titanat Batterien dazu, eine etwas niedrigere Energiedichte als auf Graphit basierende Systeme zu haben.

Anwendungen von Lithium-Ionen Batterien

Lithium Batterien sind ideal für Automobile, sowohl in Elektro- als auch in Hybridfahrzeugen.
Elektrofahrzeugbatterien wurden für maximale Kraftübertragung und starke Entladungskraft entwickelt, um lange Distanzen zu bewältigen
.
Batterien für Hybridfahrzeuge müssen hohe Leistungen in wiederholten Abläufen leisten (Mikro-Zyklen) und weiterhin hohe Laderaten verkraften, sowohl vom Verbrennungsmotor her, als auch von den Bremsen.  Ihre Entladungstiefe beträgt zwischen 15% und 50%, um regeneratives Bremsen zu gewährleisten.

Vorteile

  • Hohe Zellspannungen bis hin zu 3,7 Volt Nennleistung, was bedeutet, dass weniger Zellen, die damit zusammenhängenden Verbindungen und Elektronik benötigt werden, um Hochspannungsbatterien herzustellen (eine Lithiumzelle kann drei NiCd oder NiMH Zellen die nur 1,2 Volt leisten ersetzen).
  • Sehr hohe Energiedichten (ungefähr 4 mal besser als Bleibatterien).
  • Kann optimiert werden um bestimmten Kapazität- oder Leistungswünschen zu entsprechen. 
  • Kann mit einer Rate von bis zu 40C entladen werden.  Diese hohe Entladungsrate bedeutet, dass Automobil-Anwendungen wie Kaltanlasser oder Antriebe für Hybridfahrzeuge mit niedrigeren Batteriekapazitäten ausgestattet werden können. 
  • Schnellere Aufladung möglich. 
  • Batterien können fast leergefahren werden ohne die Zyklusdauer, die Lebensdauer oder die Hochstromabgabe zu beeinflussen. 
  • Sehr geringe Selbstentladungsrate (3 bis 5% pro Monat).  Kann Elektrizität bis zu 10 Jahre lang speichern. 
  • Sehr hohe coulombsche Effizienz (Entladung-/Ladungskapazität fast 100%).  Dementsprechend geht nur sehr wenig Leistung während der Ladung/Entladung verloren.
  • Kein Memory-Effekt. Keine Aufarbeitung nötig, um den Lebenszyklus beizubehalten. 
  • Toleranter Microzyklus. 
  • Langer Zyklus.   Der Zyklus kann beträchlich verlängert werden indem Sicherheitskreisläufe eingebaut werden, um die anfängliche Entladung der Batterie zu limitieren.  Dies mindert die hohen Anschaffungskosten einer solchen Batterie. 
  • Varianten der basischen Zellenchemie erlauben das Verfeinern der Leistungseigenschaften, um bestimmten Anwendungen gerecht zu werden. 
  • Erhältlich in einer Reichweite von Zellkonstruktionen mit Kapazitäten von Einzelzellen mit weniger als 50mAh bis hin zu 1000Ah, von einer großen Anzahl an globalen Lieferanten.
  • Sehr kleine Batterien sind auch erhältlich.  Elektrodenmaterial und Keramikelektrolyten können auf feste (Aluminiumoxid/Silica) oder flexible (Acrylfaser) Substrate gesprüht werden, um hohe Energiedichten und dünne Flachbatterien herzustellen.  Diese können in in-situ auf Mikroelektrogeräten geformt werden.