Einführung:
Batterien lassen sich grob in drei Kategorien einteilen: chemische, physikalische und biologische Batterien. Chemische Batterien sind die am weitesten verbreiteten Batterien in Elektrofahrzeugen.
Chemische Batterie: Eine chemische Batterie ist ein Gerät, das chemische Energie durch chemische Reaktionen in elektrische Energie umwandelt. Sie besteht aus positiven und negativen Elektroden sowie Elektrolyten.
Physikalische Batterie: Eine physikalische Batterie wandelt physikalische Energie (wie Sonnenenergie und mechanische Energie) durch physikalische Veränderungen in elektrische Energie um.
Chemische Batterieklassifizierung: Strukturell lassen sie sich in zwei Kategorien unterteilen: Speicherbatterien (Primär- und Sekundärbatterien) und Brennstoffzellen. Primärbatterien: Sie sind nur einmal verwendbar, das Aktivmaterial ist irreversibel, die Selbstentladung ist gering, der Innenwiderstand ist hoch und die spezifische Massen- und Volumenkapazität sind hoch.
Sekundärbatterien: Sie lassen sich wiederholt laden und entladen, ihr aktives Material ist reversibel und sie finden breite Anwendung in verschiedenen Ladegeräten. Die meisten aktuell auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge werden mit wiederaufladbaren Sekundärbatterien betrieben. Je nach Material der positiven Elektrode werden Sekundärbatterien in Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Batterien unterteilt. Derzeit verwenden die Automobilhersteller hauptsächlich Lithium-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien sind nur noch vereinzelt anzutreffen.
Definition der Lithiumbatterie
Eine Lithiumbatterie ist eine Batterie, die Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als positives bzw. negatives Elektrodenmaterial und eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet.
Der Lade- und Entladevorgang von Lithiumbatterien beruht hauptsächlich auf der Bewegung von Lithiumionen (Li+) zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Beim Laden werden Lithiumionen aus der positiven Elektrode freigesetzt und durch den Elektrolyten in die negative Elektrode eingelagert, wodurch diese einen lithiumreichen Zustand erhält; beim Entladen verhält es sich umgekehrt.
Elektrochemisches Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie
Reaktionsformel der positiven Elektrode: LiCoO₂ → Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻
Reaktionsformel für die negative Elektrode: C + xLi⁺ + xe⁻ → CLix
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer und eine geringe Selbstentladungsrate aus und werden daher häufig in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Die Anwendungsgebiete von Lithium-Ionen-Batterien lassen sich hauptsächlich in Leistungs- und Nichtleistungsanwendungen unterteilen. Zu den Leistungsanwendungen zählen Elektrofahrzeuge, Elektrowerkzeuge usw.; zu den Nichtleistungsanwendungen gehören Unterhaltungselektronik und Energiespeicher.
Zusammensetzung und Klassifizierung von Lithiumbatterien
Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus vier Komponenten: positiven Elektrodenmaterialien, negativen Elektrodenmaterialien, Elektrolyten und Batterieseparatoren. Negative Elektrodenmaterialien beeinflussen maßgeblich die Anfangsleistung und die Zyklenstabilität von Lithium-Ionen-Batterien. Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Kategorien von negativen Elektroden für Lithium-Batterien: Kohlenstoffmaterialien und Nicht-Kohlenstoffmaterialien. Graphit ist unter den Kohlenstoffmaterialien das marktgängigste negative Elektrodenmaterial, wobei sowohl künstlicher als auch natürlicher Graphit in großem Umfang industriell eingesetzt werden. Siliziumbasierte negative Elektroden stehen im Fokus der Forschung führender Hersteller und zählen zu den neuen negativen Elektrodenmaterialien, die in Zukunft voraussichtlich breite Anwendung finden werden.
Lithium-Ionen-Batterien werden nach den Materialien der positiven Elektrode in Lithium-Cobalt-Oxid-Batterien, Lithium-Eisenphosphat-Batterien, ternäre Batterien usw. eingeteilt;
Nach ihrer Bauform werden sie in quadratische Batterien, zylindrische Batterien und Softpack-Batterien unterteilt;
Nach ihren Anwendungsszenarien lassen sie sich in Unterhaltungselektronik, Energiespeicher und Leistungsbatterien unterteilen. Lithium-Ionen-Akkus für Unterhaltungselektronik werden hauptsächlich in 3C-Produkten eingesetzt; Energiespeicherbatterien finden vorwiegend Verwendung in der Haushaltsenergiespeicherung und in dezentralen, autarken Energiespeichersystemen wie Solar- und Windkraftanlagen; Leistungsbatterien werden hauptsächlich in verschiedenen Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen und Fahrzeugen mit alternativen Antrieben verwendet.
Abschluss
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Veröffentlichungsdatum: 18. September 2024