Materialien für die Herstellung einer Lithium-Autobatterie

Die rasche Verbreitung von Elektrofahrzeugen hat die Nachfrage nach Rohstoffen für die Herstellung von Lithiumbatterien erhöht, so dass diese aus neuen Mineralien gewonnen werden müssen, was sowohl ökologisch als auch sozial bedenklich ist.

Lithiumbatterien unterscheiden sich in Bezug auf ihre Speicherkapazität und die Anzahl der Aufladevorgänge, so dass die Wahl der richtigen Batterie für die jeweilige Anwendung entscheidend ist.

Lithium-Ionen-Chemie

Lithium-Ionen-Batterien haben sich in der Unterhaltungselektronik, z. B. in Mobiltelefonen und Laptops, schnell zu einer der bevorzugten Technologien entwickelt, und auch in Hybridfahrzeugen werden sie immer häufiger eingesetzt. Dank ihrer hohen Energiedichte kann auf kleinerem Raum eine größere Energiemenge gespeichert werden als bei herkömmlichen Batterietechnologien.

Auch Lithium-Ionen-Batterien können sicher betrieben werden, wenn sie unter Einhaltung bestimmter Sicherheitsrichtlinien verwendet werden. Obwohl ihr Brandrisiko geringer ist als das von Lithium-Metall-Batterien, kann eine unsachgemäße Handhabung dennoch Gefahren bergen.

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch Interkalation und Extraktion, wobei Lithiumionen zwischen Anode und Kathoden hin- und herwandern und eine Elektrolytlösung aus nichtwässrigen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat oder Propylencarbonat bilden, die beide umhüllt. Aufgrund der starken Affinität von Lithium zu Wasser sollte niemals Feuchtigkeit in diese Batterie gelangen.

Die Entladung findet statt, wenn Lithiumionen von der Anode in eine Elektrolytlösung wandern, wo sie durch den elektrischen Strom aus ihren Bindungen gelöst werden und sich dann von ihren Bindungen mit der Anode befreien, so dass die Elektronen frei über externe Drähte fließen und Arbeit verrichten können.

Lithium-Ionen-Batterien bieten viele Vorteile gegenüber ihren Vorgängern, darunter eine gute Energieeffizienz und ein hohes Leistungsgewicht, eine geringe Selbstentladung, eine lange Lebensdauer und ein tragbares Design. Die Lithium-Kobalt-Oxid-Technologie ermöglicht eine höhere Energiedichte als ihre Alternativen in Lithium-Ionen-Autobatterien.

Elektrolyt

Elektrolyte sind lebenswichtige Mineralien, die für den Wasserhaushalt und die Zellfunktionen unseres Körpers unerlässlich sind, aber auch zur Vorbeugung von Müdigkeit, Schwindelgefühl und Kopfschmerzen beitragen. Ein Mangel an Elektrolyten kann sogar zu einer Dehydrierung führen, die das Leben erheblich beeinträchtigt und die täglichen Abläufe in tiefgreifender Weise stört.

Lithium-Ionen-Batterien sind auf nichtwässrige Elektrolyte angewiesen, um Wasserreaktionen zu vermeiden und ihre Elektroden vor Zersetzung zu schützen. Sie enthalten häufig organische Karbonate wie Ethylen- oder Propylen-Karbonat mit Komplexen, die Lithium-Ionen in Lösung binden; dieser flüssige Elektrolyt ermöglicht dann die Bewegung der Ionen zwischen Anoden- und Kathodenelektroden und erzeugt elektrische Energie.

Wenn sich die Lithium-Ionen während der Entladung durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode bewegen, durchlaufen sie einen Einlagerungs- oder Interkalationsprozess, bei dem ihre Elektronen von der Kathode übertragen werden. Dadurch wird chemische Energie freigesetzt, die im externen Kreislauf der Zelle gespeichert wird; beim Aufladen rekombinieren dieselben Ionen mit ihren Elektronen und bilden Strom.

Dinca und sein Team arbeiten an der Entwicklung alternativer Batteriematerialien, die weniger Kobalt enthalten, wie Natrium oder Magnesium. Solche Batterien könnten leichter und billiger sein, was sie für die Verbraucher attraktiver machen würde. Kobaltfreie Batterien sollten eine bessere Zykluslebensdauer und Wiederverwertbarkeit aufweisen und könnten sogar sicherer zu transportieren und zu lagern sein als Batterien mit Kobalt.

Kathode

Die Kathode ist eine der wichtigsten Komponenten von Lithiumbatterien. Sie fungiert als elektrischer Leiter und ermöglicht die Bewegung der Lithiumionen zwischen Anode und Kathode während des Entlade-/Ladevorgangs. Kathoden können aus verschiedenen Materialien wie Lithium-Übergangsmetalloxiden, Vanadiumoxiden, Oxiden auf Manganbasis oder Lithiumphosphaten bestehen, die eine reversible Interkalation/Deinterkalation von Lithiumionen während der Entlade-/Ladezyklen ermöglichen.

Eine Anode ist eine negative Elektrode, die bei der Entladung der Zelle Elektronen an einen externen Stromkreis abgibt. Umgekehrt verbinden Kathoden positiv geladene Lithium-Ionen mit Elektronen in einer elektrochemischen Reduktionsreaktion an ihrer positiven Elektrode. Der Elektrolyt dient als Vermittler für den Transport von Lithiumionen und Elektronen zwischen Anode und Kathoden; er ist selbst nicht an der elektrochemischen Reaktion beteiligt.

Es wurden viele verschiedene Kathodenmaterialien entwickelt; die drei gängigsten, die derzeit hergestellt werden, lassen sich als LiCoO2, LiMn2O4 und LiFePO4 zusammenfassen. Alle drei nutzen die Lithium-Ionen-Chemie, ihre Ladekapazität und Zyklenstabilität variiert jedoch von Modell zu Modell.

Lithium-Ionen-Batterien sind sowohl in Bezug auf die Energiedichte als auch auf die Zyklusdauer von ihren Kathoden abhängig, da diese Komponente große Mengen an Lithiumionen mit hoher Leitfähigkeit speichert und speichern muss, um optimal zu funktionieren. Um den Widerstand weiter zu verringern und die Leistung zu verbessern, können verschiedene leitfähige Zusätze wie Ruß (CB), amorpher Kohlenstoff (AC) oder Kohlenstofffasern (CF) als leitfähige Zusätze hinzugefügt werden; Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Zusätze in Bezug auf die Entladekapazitäten und die Zyklusleistungen verschiedener Kathodenmaterialien mit verschiedenen leitfähigen Zusätzen im Vergleich.

Anode

Die Funktionsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien wird in hohem Maße von ihren Elektrodenmaterialien bestimmt, die auch als Anoden und Kathoden bezeichnet werden und eine wesentliche Rolle für die Energiedichte und die Regulierung des Spannungsbereichs spielen. In den meisten Lithiumbatterien werden Anoden und Kathoden aus Kohlenstoff verwendet; die Forscher erforschen jedoch alternative Lösungen.

Bei der Entladung gibt die Anode durch Interkalation Lithium-Ionen an die Kathode ab, wodurch Strom und Energie erzeugt werden. Beim Aufladen ist es jedoch umgekehrt. Anstatt Lithiumionen durch Interkalation an die Kathode abzugeben, gelangen sie in einen Elektrolyten (bestehend aus Lithiumsalzen, die in einem Dimethylcarbonat-Lösungsmittel suspendiert sind). Von hier aus wandern sie zurück zur Anode und schließlich durch diese Lösung wieder hinaus, um den Kreislauf rückwärts zu schließen.

Standard-Graphit-Anoden können nicht langfristig verwendet werden, da sie bei wiederholtem Einsetzen von Lithium auseinanderbrechen und an Kapazität verlieren, so dass keine funktionsfähigen LIB-Zellen übrig bleiben. Es wurden Alternativen wie Metallhydroxide vorgeschlagen, deren hohe Interkalationsspannungen jedoch die Energiedichte dieser Batterien verringern.

Amprius, ein auf Batteriematerialien spezialisiertes Unternehmen, hat eine Anode mit einer Siliziumhülle entwickelt, die Silizium-Nanodrähte umschließt und eine mögliche Lösung darstellt. Sie wurde bereits zu Testzwecken in einem Pseudosatelliten-Akkupack des Airbus Zephyr S getestet und zeigte eine hervorragende Leistung: Sie hielt Hunderte von Ladezyklen durch und lieferte dabei über 435 Wh/kg Energie.

Elektrodenabscheider

Der Separator ist ein wesentlicher Bestandteil von Lithiumbatterien, der dazu dient, positive und negative Elektroden zu isolieren und gleichzeitig den Fluss der Lithiumionen zu ermöglichen. Er besteht aus einer porösen Membran, die aus verschiedenen Polyolefinen wie Polyethylen oder Polypropylen hergestellt wird. Seine Größe beeinflusst, wie viel Strom während der Entladung entnommen werden kann, und bestimmt auch die Stabilität während der Zyklen.

Die Porosität des Separators sollte so groß sein, dass sich die Lithiumionen ungehindert zwischen den Elektroden bewegen können, mit einer breiten Verteilung von Poren, die sich schließen, wenn die Batterie ausgesteckt oder abgeschaltet wird; die optimale Porengröße liegt zwischen 30 und 100 Nanometern. Darüber hinaus muss auch die Leitfähigkeit hoch sein.

Die Benetzbarkeit eines Separators ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung; er muss während des Zellbetriebs eine ausreichende Menge Elektrolyt in seine Poren aufnehmen, ohne dass es zu Dendritenbildung und SEI-Wachstum kommt. Es kann eine Vielzahl von Separatormaterialien verwendet werden, z. B. PP-Vlies, mikroporöses Monolayer-PP, Zellulose, Glasfasern, PTFE oder Dreischicht-PP/PE/PP; einige weisen verbesserte Eigenschaften auf, wie z. B. erhöhte Oxidationsbeständigkeit oder Affinität/Benetzbarkeit mit Elektrolyten; diese Verbesserungen tragen wesentlich zur Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie bei.

Stromabnehmer

Stromabnehmer sind ein wesentlicher Bestandteil von Lithiumbatterien, da sie den Elektronenfluss zwischen Kathoden- und Anodenelektroden ermöglichen, wodurch die Batterie eine hohe Energiedichte erreicht und Sicherheit und Leistung verbessert werden. Sie müssen so konstruiert sein, dass sie hohen Betriebsspannungen ohne Korrosion der Elektroden standhalten.

Metalle wie Aluminium und Kupfer werden häufig als Stromabnehmer verwendet, da sie relativ kostengünstig sind und eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Allerdings erfordert ihre Sprödigkeit große Dicken, um die mechanische Integrität zu erhalten.

NREL-Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um die Dicke der Stromabnehmer zu verringern und gleichzeitig die Energiedichte zu erhöhen. Bei dieser Methode werden aktive Materialien aus Lithium-Batterie-Separatoren mit Klebstoff beschichtet, wodurch dünne und dennoch leichte Stromkollektoren entstehen, die dazu beitragen werden, Lithium-Autobatterien energieeffizienter zu machen.

Wissenschaftler erforschen Methoden, um die Dicke von Stromabnehmern zu verringern und gleichzeitig ihre elektrochemische Stabilität zu erhöhen. Materialien auf Kohlenstoffbasis bieten im Vergleich zu metallischen Materialien umweltfreundlichere Produktionsverfahren und werden zunehmend als Stromsammler eingesetzt.

Stromabnehmer auf Kohlenstoffbasis bieten viele Vorteile gegenüber ihren starreren Gegenstücken. Sie sind unter anderem leichter und flexibel genug, um die Energiedichte und Leistungskapazität von Batterien zu verbessern - eine zunehmend wichtige Anforderung angesichts der steigenden Beliebtheit von Lithium-Ionen.