Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Als Träger elektrischer Energie und Energiequelle für viele Geräte können wir mit Recht sagen, dass Lithium-Ionen-Batterien für uns unverzichtbar sind. Ohne sie ist es unwahrscheinlich, dass unsere Welt richtig funktioniert. Was ist also ein Lithium-Ionen-Akku? Und was macht es so wichtig?

Was ist ein Lithium-Ionen-Akku und wie funktioniert er?

Lithium-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, was bedeutet, dass sie hauptsächlich auf die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen positiven und negativen Elektroden angewiesen sind. Beim Laden und Entladen wird Li+ zwischen zwei Elektroden interkaliert und deinterkaliert. Beim Laden wird Li + von der positiven Elektrode deinterkaliert und dann durch Elektrolyt in die negative Elektrode eingebettet, sodass sich die negative Elektrode in einem lithiumreichen Zustand befindet. Beim Entladen umgekehrt.

Lithiumbatterien können in Lithiumbatterien und Lithiumionenbatterien unterteilt werden. Wir verwenden Lithium-Ionen-Batterien für unsere täglichen Geräte wie Mobiltelefone und Laptops, aber wir nennen sie normalerweise stattdessen Lithium-Batterien. Im Allgemeinen verwenden Lithiumbatterien Materialien, die Lithium als Elektroden enthalten, was sie zur Ikone moderner Hochleistungsbatterien macht. Echte Lithiumbatterien werden in unserem täglichen Leben aufgrund ihres hohen Sicherheitsrisikos selten verwendet.

Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen-Akkus

Vorteile

• Hochspannung. Die Betriebsspannung der Einzelzelle beträgt 3,7-3,8 V (3,2 V für Lithium-Eisen-Phosphat), was dreimal so hoch ist wie bei Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus.
• Große spezifische Energie. Die tatsächliche spezifische Energie beträgt etwa 555 Wh/kg, was bedeutet, dass die spezifische Kapazität des Materials mehr als 150 mAh/g erreichen kann (das 3- bis 4-fache von Ni-Cd, das 2- bis 3-fache von Ni-MH). was fast 88 % des theoretischen Werts entspricht.
• Lange Lebensdauer. Im Allgemeinen kann es mehr als 500-mal oder sogar mehr als 1000-mal aufgeladen werden, und das Lithiumeisenphosphat kann mehr als 2000-mal aufladen.
• Kleine Selbstentladung . Bei Raumtemperatur beträgt die Selbstentladungsrate eines vollständig aufgeladenen Lithium-Ionen-Akkus, nachdem er einen Monat lang gelagert wurde, etwa 2 %, was viel niedriger ist als bei Ni-Cd (das 25–30 %) und Ni-MH (das ist 30-35 %).
• Schnellladung. Die Kapazität von 1C kann nach 30-minütigem Laden mehr als 80 % der Nennkapazität erreichen, und die einer Ferro-Phosphor-Batterie kann 10 Minuten lang 90 % der Nennkapazität erreichen.
• Arbeitstemperatur. Die Arbeitstemperatur beträgt -25 bis 45 °C. Mit der Verbesserung von Elektrolyt und Kathode wird eine Erweiterung auf -40 bis 70 °C erwartet.

Nachteile

• Altere leicht. Im Gegensatz zu anderen Akkus nimmt die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus langsam ab. Die Abnahmegeschwindigkeit hängt von der Anzahl der Verwendungen und der Temperatur ab. Da hohe Temperaturen zerstörerisch sein können (das Batteriematerial wird zerstört), lässt sich diese Funktion leichter in elektronische Produkte mit hohem Betriebsstrom integrieren.
• Intoleranz gegenüber zu hohen Gebühren . Bei Überladung werden übermäßig eingebettete Lithium-Ionen dauerhaft im Gitter immobilisiert und können nicht freigesetzt werden, was zu einer kurzen Batterielebensdauer führt.
• Intoleranz gegenüber Überentladung. Während einer Tiefentladung deinterkaliert die Elektrode zu viele Lithiumionen, was zu einem Zusammenbruch des Gitters und einer verkürzten Batterielebensdauer führt.
• Sicherheitsprobleme. Durch den in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten organischen Elektrolyten birgt die Batterie gewisse Sicherheitsrisiken, wie z. B. Brennen oder sogar Explodieren.

Anwendungen

Derzeit werden Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich in den folgenden Bereichen eingesetzt.

Anwendung in elektronischen Produkten 

Lithium-Ionen-Batterien können kleiner und leichter gemacht werden, sodass sie in tragbaren elektronischen Produkten weit verbreitet sind. Mit der Popularität von Mobiltelefonen, Digitalkameras, Camcordern, Laptops und tragbaren Spielekonsolen (PSPs) hat der Markt für Lithium-Ionen-Batterien ein schnelles Wachstum beibehalten.

Anwendung auf Transportfahrzeugen

Lithium-Ionen-Akkus haben die Vorteile einer guten Energiedichte und Leistungsdichte. Insgesamt übertrifft sie die Leistung anderer Batterien, sodass sie in verschiedenen Elektrofahrzeugen wie Elektrofahrrädern und Elektroautos weit verbreitet ist.

Anwendung in der Luft- und Raumfahrt  

Im Jahr 2004 wurden Lithium-Ionen-Batterien in Mars Lander und Rover verwendet. Darüber hinaus erwägen die Space Exploration Agency der NASA und andere Weltraumbehörden den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien bei Weltraummissionen. Derzeit besteht die Hauptfunktion von Lithium-Ionen-Batterien im Luftfahrtbereich darin, Start- und Flugkorrekturen sowie den Bodenbetrieb zu unterstützen.

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