Wie man eine Lithium-Batterie verlängert

Die Lithiumionen an der Anode wandern durch einen Elektrolyten zur Kathode, wo sie sich mit Elektronen verbinden, um eine elektrische Ladung zu erzeugen, die es ihr ermöglicht, bei Bedarf Strom zu liefern. So entsteht das einzigartige Stromversorgungssystem der Batterie.

Jüngste Fortschritte bei der Auswahl des Siliziumanodenmaterials zielen darauf ab, zu verhindern, dass Li-Ionen in den Elektrolytwänden eingeschlossen werden, und ihre Reversibilität zu verbessern [155].

Längere Lebensspanne

Lithiumbatterien treiben täglich Millionen von Menschen an - von Laptops und Mobiltelefonen bis hin zu Hybrid- und Elektroautos. Zu ihren Vorteilen gehören eine hohe Energiedichte, geringes Gewicht, schnelle Ladezeiten und eine längere Lebensdauer als bei Bleibatterien. Der Schlüssel zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithiumbatterien liegt darin, zu verstehen, wie sich Ihre Lithiumbatterie im Laufe der Zeit verschlechtert, und proaktive Maßnahmen zu ergreifen, um die Lebensdauer zu verlängern. Dazu gehört auch zu verstehen, welche Art von Lithiumbatterie in Bezug auf die Ladegeschwindigkeit, die Entladetiefe, die Ladung usw. besondere Sorgfalt erfordert, und häufige Fehler wie Überladung und Verweilen bei hohen Temperaturen zu vermeiden.

Li-Ionen-Batterien verlieren im Laufe der Zeit durch chemische Reaktionen, die die Elektroden und den Elektrolyten zersetzen, allmählich an Kapazität, wodurch sich der Innenwiderstand erhöht und die Laufzeit der Batterie verkürzt. Dieser Prozess tritt unabhängig davon auf, ob Ihr Akku regelmäßig zyklisch betrieben wird oder ungenutzt bleibt. Regelmäßige Zyklen und die Lagerung bei kühlen Temperaturen können jedoch dazu beitragen, diesen Abbauprozess deutlich zu verlangsamen.

Die Zykluszahl von Lithiumbatterien hängt von den Lade- und Entladebedingungen sowie der Betriebstemperatur ab. Verbrauchergeräte werden in der Regel auf 4,20 V pro Zelle aufgeladen, um die Kapazität und Laufzeit zu maximieren. Bei industriellen Anwendungen werden jedoch häufig niedrigere Spannungsschwellen verwendet, wie sie in Satelliten oder Elektrofahrzeugen zu finden sind, um die Langlebigkeit zu erhöhen.

Um eine optimale Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten, sollten Sie Schnellladegeräte vermeiden, da diese die Batterie schnell erhitzen und abbauen. Außerdem sollten Sie die Häufigkeit des Entladens begrenzen, da dies den Innenwiderstand erhöht und die Laufzeit und Lebensdauer verkürzt.

Die Lithium-Deep-Cycle-Batterien von Ionic haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 3.000 bis 5.000 vollen Zyklen mit einer verbleibenden Kapazität von 80%. Erreicht wird dies durch die Verwendung ausschließlich hochwertiger Lithium-Eisenphosphat-Materialien (LiFePO4), die für die Kompatibilität mit verschiedenen Lasten und Ladegeräten ausgelegt sind, sowie durch die Bluetooth-Überwachung, die Informationen über den Ladezustand in Echtzeit liefert und die verbleibende Laufzeit berechnet - was unseren Kunden in der Schifffahrt ein beruhigendes Gefühl gibt, wenn sie vorausschauend planen und ihre Batterie dann brauchen, wenn sie sie am dringendsten benötigen.

Höhere Energiedichte

Lithiumbatterien weisen eine hohe Energiedichte auf, was bedeutet, dass sie auf kleinem Raum eine beträchtliche Menge an Energie speichern (um Professor Paul Christensen zu zitieren). Um chemische Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, müssen Lithiumionen zwischen Anode und Kathode durch einen porösen Anoden-Kathoden-Separator und eine Elektrolytschicht wandern; durch wiederholtes Laden und Entladen wird die Leistung im Laufe der Zeit erheblich verbessert.

Es gibt verschiedene Arten von wiederaufladbaren Lithiumbatterien auf dem Markt, jede mit ihrer eigenen internen Chemie. Einige kosten mehr als andere, aber alle haben eine höhere Energiedichte als Blei-Säure-Batterien - das heißt, sie speichern mehr elektrische Ladung pro Kilogramm oder Volumen und bieten daher längere Reichweiten oder mehr Betriebsstunden für Elektrowerkzeuge, ohne dass Größe oder Gewicht wesentlich zunehmen.

Die Batterietechnologie entwickelt sich ständig weiter, und die Forscher suchen ständig nach Möglichkeiten, bestehende Komponenten zu verbessern. Professorin Corie Cobb vom ME und ihr Integrated Fabrication Lab forschen schwerpunktmäßig an der Entwicklung von 3D-Elektrodenarchitekturen, die die Herstellung von Batterien vereinfachen; J. Devin MacKenzie vom ME und der Fakultät für Materialwissenschaft und -technik (MSE) erforscht außerdem strukturell veränderte Antimonlegierungen als Batteriematerialien.

Die Energiedichte ist eine der wichtigsten Kenngrößen jeder Batterie. Sie misst, wie viel Energie eine Zelle oder Batterie pro Massen- oder Volumeneinheit speichern kann. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, die eine große Reichweite bei überschaubarem Gewicht und Größe benötigen.

Batterien mit höherer Energiedichte bieten längere Betriebszeiten, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen, und tragen so zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Wartungskosten bei, während kleinere Batterien kompakter in das Fahrzeugdesign passen und mehr Leistung für Beschleunigungs- oder Hochlastaufgaben bieten.

Batterien mit höherer Energiedichte können ihre Gesamtgröße und ihr Gewicht erheblich verringern, was sie besonders für tragbare Elektronik und Elektrofahrzeuge interessant macht, bei denen jedes Kilogramm zählt. Leider können Batterien mit hoher Energiedichte für bestimmte Verwendungszwecke ein weniger ideales Spannungsprofil aufweisen und bei Bedarf keinen schnellen Energieschub liefern.

Schnelleres Aufladen

Da immer mehr Menschen auf Elektrofahrzeuge umsteigen, steigt die Nachfrage nach Lithiumbatterien, die sich schnell aufladen lassen, sprunghaft an. Während herkömmliche Blei-Säure-Batterien nur eine Entladetiefe von 50% erreichen, haben Lithium-Ionen-Batterien eine Entladetiefe von 99%, was sie ideal für stromintensive Anwendungen wie Elektrofahrzeuge macht. Ihre schnellere Ladegeschwindigkeit führt auch zu einer kürzeren Wiederaufladezeit.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden zwei Elektroden, die aus Metalloxid bzw. porösem Kohlenstoff bestehen, um Energie zu speichern. Während des Ladevorgangs bewegen sich die Ionen frei zwischen diesen Elektroden durch einen Elektrolyten und einen Separator; bei der Entladung kommt es an der Anode zu einer Oxidation und einem Elektronenverlust, und bei der Wiederaufladung kehren sie zur Kathode zurück.

Ingenieure haben Materialien wie Silizium-, Germanium- und Antimonlegierungen entwickelt, die Lithiumionen besser speichern können als Graphitanoden, indem sie diese Ionen zwischen Graphenschichten einlagern. Leider verändern sich diese Legierungsmaterialien während der Lade-/Entladezyklen physikalisch, was zu Leistungseinbußen oder Ausfällen führen kann.

Forscher der Cornell University haben eine Methode zur Minimierung von Änderungen des physikalischen Volumens entdeckt, die leistungsstarke Lithiumbatterien mit höheren Ladegeschwindigkeiten ermöglicht. Durch die Zugabe von Indium (das normalerweise für die Beschichtung von Touchscreens verwendet wird) konnte das Team die Energiebarrieren zwischen den Elektroden verringern, so dass sich die Ionen leichter zwischen den Elektroden bewegen können.

Die Forscher wiesen darauf hin, dass man sich der mit dem Schnellladen verbundenen Kompromisse bewusst sein muss. Ein schnelleres Aufladen erfordert einen deutlich höheren Strom und eine höhere Leistung, was die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen kann - dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien.

Experten raten, sich an die von den Batterieherstellern empfohlenen Ladegeschwindigkeiten zu halten, um die Langlebigkeit der Batterien zu maximieren. Power Cells sollten mit 1C geladen werden, um sicherzustellen, dass ihre Anode und Kathode keinen zu hohen Spannungen ausgesetzt sind; für Fahrer von Elektrofahrzeugen ist dies jedoch aufgrund der begrenzten Fahrstrecken, die mit Lithium-Ionen-Batterien möglich sind, nicht immer praktikabel.

Niedrigere Kosten

Lithiumbatterien bieten viele Vorteile gegenüber Bleisäurebatterien, unter anderem die Kosten. Da Lithiumzellen länger halten, weniger wiegen und effizienter arbeiten, sind sie aufgrund ihrer Kosteneffizienz auf lange Sicht die beste Investition - Sie sparen bei jedem Kauf oder Austausch sowie beim Kraftstoff für Motoren oder Generatoren.

Lithium-Ionen-Batterien haben sich aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Energiedichte zu einer äußerst beliebten Energiequelle für Unterhaltungselektronik, Hybridfahrzeuge und Elektroautos entwickelt. Ihr Design ermöglicht eine Steigerung der Kapazität bei gleichzeitiger erheblicher Kostenreduzierung. Dieses Design hat dazu geführt, dass die Kapazitäten enorm gesteigert und gleichzeitig die Kosten erheblich gesenkt werden konnten.

Im Zuge des technologischen Fortschritts konnten die Hersteller die Kosten durch die Verwendung besserer Materialien und die Optimierung der Produktionsprozesse weiter senken. Schlanke Produktionsmethoden, die sich auf die Minimierung von Verschwendung bei gleichzeitiger Optimierung der Produktivität konzentrieren, sind besonders vielversprechende Methoden zur Senkung der mit der Batterieproduktion verbundenen Kosten.

Sicherheitsprobleme sind nach wie vor eines der Haupthindernisse für die breite Einführung von Lithium-Ionen-Batterien, wobei das thermische Durchgehen (eine Reihe chemischer Reaktionen, die zu einem Brand führen können) eines der wichtigsten ist. Lithium-Ionen-Batterien können für dieses Problem anfällig sein, wenn ihre Kathoden oder Anoden Risse oder Kurzschlüsse entwickeln; Verbesserungen in der Zellchemie und den Verpackungstechnologien haben diese Batterien jedoch sicherer als je zuvor gemacht.

Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer geringeren Gesamtbetriebskosten zur ersten Wahl für USV-Anwendungen geworden, insbesondere bei dreiphasigen USV-Einheiten, die in der Regel größer und teurer sind als ihre einphasigen Gegenstücke.

Im Zuge der Weiterentwicklung der Lithiumindustrie eröffnen neue Innovationen wie das trockene Lithiumpolymer aufregende neue Wege für die Batteriechemie und -konstruktion. Diese Fortschritte versprechen längere Zykluszeiten mit tieferen Entladetiefen ohne das Risiko eines thermischen Durchgehens oder anderer Sicherheitsbedenken - was bedeutet, dass Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft noch häufiger als bisher in Anwendungen zum Einsatz kommen könnten.