Share |

Wie Zellen funktionieren

Lithium Batterien sind ein Beispiel für elektrolytische Zellen. Eine elektrolytische Zelle ist eine elektrochemische Zelle die von einer nicht-spontanen Reaktion externer Stromquellen angetrieben wird.

Im Vergleich ist eine galvanische oder voltaische Zelle eine elektrochemische Zelle die aus zwei Halbzellen mit einer Ionenbindung besteht und Elektrizität speichert und somit spontane chemische Reaktionen auslöst.

Eine Lithium-Ionen Zelle besteht aus zwei ungleichen Elektroden, die durch Elektrolyten voneinander getrennt sind.  Ein Elektrolyt ist ein ionischer Leiter und elektronischer Isolator.  Bei der Ableitung von einer elektrolytischen Zelle wird chemische Energie in elektrische Energie konvertiert.  Batteriepacks können mehrere, hintereinander oder parallel geschaltete Zellen haben.

Die Lithium Batterie ist auch unter der Bezeichnung "Swing-Batterie" bekannt, dank ihrer Eigenschaft, zwei eingeschaltete Elektroden hin und her zu pendeln wenn sie aufgeladen oder entladen wird.

Das Zellpotential

Um es einfach zu machen, können Batterien auch als Elektronenpumpen bezeichnet werden.  Der elektrische (Pumpen) Druck oder die Potential-Differenz zwischen positiven und negativen Batteriepolen nennt sich Klemmenspannung oder "electromotive force" (EMFauf Deutsch: (Elektromotorische Kraft).  Die freie Energie in Verbindung mit der Elektronenübertragung um den äußeren Kreis und Lithium-Ionen zwischen zwei eingeschalteten Elektroden bezieht sich auf den Unterschied des chemischen Potentials des Lithium in den zwei Elektroden, je höher das Elektrodenpotential, umso schwerer ist es das Lithium von der Seite der Interkalationsverbindung zu entfernen.  Bei einer Zellentladung wird Li vom hohen Energiezustand der Anode zur niedrige Konfiguration in der Kathode transferiert.

Batteriezellen speichern Energie chemisch in deren Elektro-aktiven Elektrodenmaterialien.  Diese chemische Energie kann nach Bedarf, durch eine elektrochemische Reduktions-Oxidations-Reaktion (redox) in elektrische Energie konvertiert werden.

Die Zellkomponenten

Lithium Batteriezellen bestehen aus drei Hauptkomponenten :
1. Die Anode : Während der Entladung gibt diese Elektronen in den externen Kreis und oxidiert in einer elektrochemischen Reaktion.  Die meisten Betriebszellen basieren auf einer Kohlenstoff/Graphit Elektrode, allerdings können sich Metal oder Aluminium abtragen. (Oxidation ist ein Verlust der Elektroden)

2. Die Kathode: Während der Aufladung akzeptiert diese Elektronen des externen Kreises und reduziert sich während der elektrochemischen Reaktion.  Sie besteht für gewöhnlich aus einem Übergangsmetalloxid oder Phosphat.  (Eine Reduktion ist ein Ertrag von Elektronen) Redox.

3. Die Elektrolyte (ein ionischer Leiter und zugleich elektrischer Isolator) teilt die beiden Elektroden und ermöglicht den Ladungstransfer in der Zelle zwischen der Anode und der Kathode.  Die Elektrolyte bestehen üblicherweise aus einer nicht-wässrigen anorganischen Flüssigkeit mit gelöstem Lithiumsalz, z.B.: LiPF in Propylen Karbonat.

Der Aufladungsprozess

Zellen sind normalerweise in einem nicht geladenen Zustand konstruiert.  Während der Aufladung wird das Material der positiven Elektrode, der Kathode, oxidiert, Li+ Ionen werden vom versiegelten Lithium Host Einschalter ausgeschaltet, z.B.: LiCoO2, treten durch die Elektrolyten und werden zwischen den Graphitschichten interkalatiert durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion bei der negativen Elektrode.

Der Entladungsprozess

Wenn sich die Zelle entlädt findet ein Oxidations-Reaktionsprozess bei der negativen Elektrode statt, Li+ Ionen werden von der Anode deinterkalatiert und wandern über die Elektrolyte um wieder in das Kathodenmaterial interkalatiert zu werden und durch den Ladungsunterschied die gleiche Anzahl an Elektronen durch den externen Kreis wandern zu lassen.  Eine gleichzeitige elektrochemische Reduktionsreaktion erlöst die Elektrode und akzeptiert die Elektronen des externen Kreises, Li+ Ionen der Elektrolyte, um diese in das Startmaterial umzuwandeln.  Ein Austausch von elektrischem Strom zu ionischem Strom geschieht beim Elektroden/Elektrolytenanschluss 
 

 Funktion nach dem Interkalationsprinzip - die umkehrbare Einfügung von einem Gast-Atom in die solide Interkalationsverbindung ohne Zufügung bedeutender Veränderung des Hostmaterials.

Während der Entladung :
Positive Elektrode (Kathode) Reduktionsreaktion  : Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- → LiCoO2
Negative Elektrode (Anode) Oxidationsreaktion  : LiC6 → xLi+ + xC6 + e-
Allgemein umkehrbare, Redox, Zellreaktion    : LiC6 + CoO2  C6 + LiCoO2