Die rasche Verbreitung von Elektrofahrzeugen hat die Nachfrage nach Rohstoffen f\u00fcr die Herstellung von Lithiumbatterien erh\u00f6ht, so dass diese aus neuen Mineralien gewonnen werden m\u00fcssen, was sowohl \u00f6kologisch als auch sozial bedenklich ist.<\/p>\n
Lithiumbatterien unterscheiden sich in Bezug auf ihre Speicherkapazit\u00e4t und die Anzahl der Aufladevorg\u00e4nge, so dass die Wahl der richtigen Batterie f\u00fcr die jeweilige Anwendung entscheidend ist.<\/p>\n
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 h\u00e4ufiger eingesetzt. Dank ihrer hohen Energiedichte kann auf kleinerem Raum eine gr\u00f6\u00dfere Energiemenge gespeichert werden als bei herk\u00f6mmlichen Batterietechnologien.<\/p>\n
Auch Lithium-Ionen-Batterien k\u00f6nnen sicher betrieben werden, wenn sie unter Einhaltung bestimmter Sicherheitsrichtlinien verwendet werden. Obwohl ihr Brandrisiko geringer ist als das von Lithium-Metall-Batterien, kann eine unsachgem\u00e4\u00dfe Handhabung dennoch Gefahren bergen.<\/p>\n
Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch Interkalation und Extraktion, wobei Lithiumionen zwischen Anode und Kathoden hin- und herwandern und eine Elektrolytl\u00f6sung aus nichtw\u00e4ssrigen L\u00f6sungsmitteln wie Ethylencarbonat oder Propylencarbonat bilden, die beide umh\u00fcllt. Aufgrund der starken Affinit\u00e4t von Lithium zu Wasser sollte niemals Feuchtigkeit in diese Batterie gelangen.<\/p>\n
Die Entladung findet statt, wenn Lithiumionen von der Anode in eine Elektrolytl\u00f6sung wandern, wo sie durch den elektrischen Strom aus ihren Bindungen gel\u00f6st werden und sich dann von ihren Bindungen mit der Anode befreien, so dass die Elektronen frei \u00fcber externe Dr\u00e4hte flie\u00dfen und Arbeit verrichten k\u00f6nnen.<\/p>\n
Lithium-Ionen-Batterien bieten viele Vorteile gegen\u00fcber ihren Vorg\u00e4ngern, darunter eine gute Energieeffizienz und ein hohes Leistungsgewicht, eine geringe Selbstentladung, eine lange Lebensdauer und ein tragbares Design. Die Lithium-Kobalt-Oxid-Technologie erm\u00f6glicht eine h\u00f6here Energiedichte als ihre Alternativen in Lithium-Ionen-Autobatterien.<\/p>\n
Elektrolyte sind lebenswichtige Mineralien, die f\u00fcr den Wasserhaushalt und die Zellfunktionen unseres K\u00f6rpers unerl\u00e4sslich sind, aber auch zur Vorbeugung von M\u00fcdigkeit, Schwindelgef\u00fchl und Kopfschmerzen beitragen. Ein Mangel an Elektrolyten kann sogar zu einer Dehydrierung f\u00fchren, die das Leben erheblich beeintr\u00e4chtigt und die t\u00e4glichen Abl\u00e4ufe in tiefgreifender Weise st\u00f6rt.<\/p>\n
Lithium-Ionen-Batterien sind auf nichtw\u00e4ssrige Elektrolyte angewiesen, um Wasserreaktionen zu vermeiden und ihre Elektroden vor Zersetzung zu sch\u00fctzen. Sie enthalten h\u00e4ufig organische Karbonate wie Ethylen- oder Propylen-Karbonat mit Komplexen, die Lithium-Ionen in L\u00f6sung binden; dieser fl\u00fcssige Elektrolyt erm\u00f6glicht dann die Bewegung der Ionen zwischen Anoden- und Kathodenelektroden und erzeugt elektrische Energie.<\/p>\n
Wenn sich die Lithium-Ionen w\u00e4hrend der Entladung durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode bewegen, durchlaufen sie einen Einlagerungs- oder Interkalationsprozess, bei dem ihre Elektronen von der Kathode \u00fcbertragen 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.<\/p>\n
Dinca und sein Team arbeiten an der Entwicklung alternativer Batteriematerialien, die weniger Kobalt enthalten, wie Natrium oder Magnesium. Solche Batterien k\u00f6nnten leichter und billiger sein, was sie f\u00fcr die Verbraucher attraktiver machen w\u00fcrde. Kobaltfreie Batterien sollten eine bessere Zykluslebensdauer und Wiederverwertbarkeit aufweisen und k\u00f6nnten sogar sicherer zu transportieren und zu lagern sein als Batterien mit Kobalt.<\/p>\n
Die Kathode ist eine der wichtigsten Komponenten von Lithiumbatterien. Sie fungiert als elektrischer Leiter und erm\u00f6glicht die Bewegung der Lithiumionen zwischen Anode und Kathode w\u00e4hrend des Entlade-\/Ladevorgangs. Kathoden k\u00f6nnen aus verschiedenen Materialien wie Lithium-\u00dcbergangsmetalloxiden, Vanadiumoxiden, Oxiden auf Manganbasis oder Lithiumphosphaten bestehen, die eine reversible Interkalation\/Deinterkalation von Lithiumionen w\u00e4hrend der Entlade-\/Ladezyklen erm\u00f6glichen.<\/p>\n
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 f\u00fcr den Transport von Lithiumionen und Elektronen zwischen Anode und Kathoden; er ist selbst nicht an der elektrochemischen Reaktion beteiligt.<\/p>\n
Es wurden viele verschiedene Kathodenmaterialien entwickelt; die drei g\u00e4ngigsten, die derzeit hergestellt werden, lassen sich als LiCoO2, LiMn2O4 und LiFePO4 zusammenfassen. Alle drei nutzen die Lithium-Ionen-Chemie, ihre Ladekapazit\u00e4t und Zyklenstabilit\u00e4t variiert jedoch von Modell zu Modell.<\/p>\n
Lithium-Ionen-Batterien sind sowohl in Bezug auf die Energiedichte als auch auf die Zyklusdauer von ihren Kathoden abh\u00e4ngig, da diese Komponente gro\u00dfe Mengen an Lithiumionen mit hoher Leitf\u00e4higkeit speichert und speichern muss, um optimal zu funktionieren. Um den Widerstand weiter zu verringern und die Leistung zu verbessern, k\u00f6nnen verschiedene leitf\u00e4hige Zus\u00e4tze wie Ru\u00df (CB), amorpher Kohlenstoff (AC) oder Kohlenstofffasern (CF) als leitf\u00e4hige Zus\u00e4tze hinzugef\u00fcgt werden; Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Zus\u00e4tze in Bezug auf die Entladekapazit\u00e4ten und die Zyklusleistungen verschiedener Kathodenmaterialien mit verschiedenen leitf\u00e4higen Zus\u00e4tzen im Vergleich.<\/p>\n
Die Funktionsf\u00e4higkeit von Lithium-Ionen-Batterien wird in hohem Ma\u00dfe von ihren Elektrodenmaterialien bestimmt, die auch als Anoden und Kathoden bezeichnet werden und eine wesentliche Rolle f\u00fcr die Energiedichte und die Regulierung des Spannungsbereichs spielen. In den meisten Lithiumbatterien werden Anoden und Kathoden aus Kohlenstoff verwendet; die Forscher erforschen jedoch alternative L\u00f6sungen.<\/p>\n
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-L\u00f6sungsmittel suspendiert sind). Von hier aus wandern sie zur\u00fcck zur Anode und schlie\u00dflich durch diese L\u00f6sung wieder hinaus, um den Kreislauf r\u00fcckw\u00e4rts zu schlie\u00dfen.<\/p>\n
Standard-Graphit-Anoden k\u00f6nnen nicht langfristig verwendet werden, da sie bei wiederholtem Einsetzen von Lithium auseinanderbrechen und an Kapazit\u00e4t verlieren, so dass keine funktionsf\u00e4higen LIB-Zellen \u00fcbrig bleiben. Es wurden Alternativen wie Metallhydroxide vorgeschlagen, deren hohe Interkalationsspannungen jedoch die Energiedichte dieser Batterien verringern.<\/p>\n
Amprius, ein auf Batteriematerialien spezialisiertes Unternehmen, hat eine Anode mit einer Siliziumh\u00fclle entwickelt, die Silizium-Nanodr\u00e4hte umschlie\u00dft und eine m\u00f6gliche L\u00f6sung 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 \u00fcber 435 Wh\/kg Energie.<\/p>\n
Der Separator ist ein wesentlicher Bestandteil von Lithiumbatterien, der dazu dient, positive und negative Elektroden zu isolieren und gleichzeitig den Fluss der Lithiumionen zu erm\u00f6glichen. Er besteht aus einer por\u00f6sen Membran, die aus verschiedenen Polyolefinen wie Polyethylen oder Polypropylen hergestellt wird. Seine Gr\u00f6\u00dfe beeinflusst, wie viel Strom w\u00e4hrend der Entladung entnommen werden kann, und bestimmt auch die Stabilit\u00e4t w\u00e4hrend der Zyklen.<\/p>\n
Die Porosit\u00e4t des Separators sollte so gro\u00df sein, dass sich die Lithiumionen ungehindert zwischen den Elektroden bewegen k\u00f6nnen, mit einer breiten Verteilung von Poren, die sich schlie\u00dfen, wenn die Batterie ausgesteckt oder abgeschaltet wird; die optimale Porengr\u00f6\u00dfe liegt zwischen 30 und 100 Nanometern. Dar\u00fcber hinaus muss auch die Leitf\u00e4higkeit hoch sein.<\/p>\n
Die Benetzbarkeit eines Separators ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung; er muss w\u00e4hrend 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, mikropor\u00f6ses Monolayer-PP, Zellulose, Glasfasern, PTFE oder Dreischicht-PP\/PE\/PP; einige weisen verbesserte Eigenschaften auf, wie z. B. erh\u00f6hte Oxidationsbest\u00e4ndigkeit oder Affinit\u00e4t\/Benetzbarkeit mit Elektrolyten; diese Verbesserungen tragen wesentlich zur Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie bei.<\/p>\n
Stromabnehmer sind ein wesentlicher Bestandteil von Lithiumbatterien, da sie den Elektronenfluss zwischen Kathoden- und Anodenelektroden erm\u00f6glichen, wodurch die Batterie eine hohe Energiedichte erreicht und Sicherheit und Leistung verbessert werden. Sie m\u00fcssen so konstruiert sein, dass sie hohen Betriebsspannungen ohne Korrosion der Elektroden standhalten.<\/p>\n
Metalle wie Aluminium und Kupfer werden h\u00e4ufig als Stromabnehmer verwendet, da sie relativ kosteng\u00fcnstig sind und eine hervorragende elektrische Leitf\u00e4higkeit aufweisen. Allerdings erfordert ihre Spr\u00f6digkeit gro\u00dfe Dicken, um die mechanische Integrit\u00e4t zu erhalten.<\/p>\n
NREL-Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um die Dicke der Stromabnehmer zu verringern und gleichzeitig die Energiedichte zu erh\u00f6hen. Bei dieser Methode werden aktive Materialien aus Lithium-Batterie-Separatoren mit Klebstoff beschichtet, wodurch d\u00fcnne und dennoch leichte Stromkollektoren entstehen, die dazu beitragen werden, Lithium-Autobatterien energieeffizienter zu machen.<\/p>\n
Wissenschaftler erforschen Methoden, um die Dicke von Stromabnehmern zu verringern und gleichzeitig ihre elektrochemische Stabilit\u00e4t zu erh\u00f6hen. Materialien auf Kohlenstoffbasis bieten im Vergleich zu metallischen Materialien umweltfreundlichere Produktionsverfahren und werden zunehmend als Stromsammler eingesetzt.<\/p>\n
Stromabnehmer auf Kohlenstoffbasis bieten viele Vorteile gegen\u00fcber ihren starreren Gegenst\u00fccken. Sie sind unter anderem leichter und flexibel genug, um die Energiedichte und Leistungskapazit\u00e4t von Batterien zu verbessern - eine zunehmend wichtige Anforderung angesichts der steigenden Beliebtheit von Lithium-Ionen.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Rapid expansion of electric vehicles (EVs) has increased demand for raw materials used to manufacture lithium batteries, necessitating their source from virgin minerals – this poses both environmental and social concerns. Lithium battery chemistries differ in terms of how much energy they can store and the number of times they can be recharged, making choosing …<\/p>\n