Lithium--Ionen-Batteriezellen: Definitionen, Klassifizierung, Funktionsprinzipien und Anwendungen in der Energiespeicherung und Photovoltaik

Vor dem Hintergrund der raschen Einführung neuer Energiespeicher, der Photovoltaik-Stromerzeugung, von Elektrofahrzeugen und tragbaren elektronischen Geräten sind Lithiumbatterien zum am häufigsten verwendeten Medium für die elektrochemische Energiespeicherung geworden. Während der Begriff umgangssprachlich oft als Sammelbegriff für verschiedene Produkte auf Lithiumbasis-verwendet wird, umfassen „Lithiumbatterien“ aus technischer Sicht zwei unterschiedliche Kategorien-primäre Lithiumbatterien und Lithium{4}}Ionenbatterien-, die sich in Leistung, Eigenschaften und Anwendungsszenarien erheblich unterscheiden. Lithium-Ionenbatterien, die sich durch ihre Fähigkeit zu wiederholten Lade--Entladezyklen und ihre hohe Energiedichte auszeichnen, haben sich sowohl für Verbraucher- als auch für Industrieanwendungen als gängige Wahl erwiesen.

 

Im engeren Sinne beziehen sich „Flash Battery“-Lithiumbatterien speziell auf primäre Lithiumbatterien-nicht-wiederaufladbare Einwegzellen-. Ihre Struktur verwendet typischerweise Lithiummetall oder Lithiumlegierungen für die Elektroden, gepaart mit einer nicht-wässrigen Elektrolytlösung. Herkömmliche primäre Lithiumbatterien nutzen Mangandioxid als Kathode und reines Lithiummetall als Anode, was zu einer hohen chemischen Reaktivität führt. Diese Batterien nutzen die hohen Energieeigenschaften der primären Lithiumchemie und eignen sich für bestimmte Anwendungen, die eine präzise Leistungsabgabe in Szenarien zur einmaligen Verwendung erfordern. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften sind sie jedoch nicht wiederverwendbar.

 

 

Die hochreaktive chemische Natur von metallischem Lithium war der Hauptfaktor, der die weit verbreitete Einführung traditioneller primärer Lithiumbatterien einschränkte. Reines metallisches Lithium stellt äußerst strenge Anforderungen an Herstellung, Lagerbedingungen und Betriebsumgebungen; Es reagiert leicht mit Luft und Feuchtigkeit und birgt Sicherheitsrisiken, die lange Zeit die groß angelegte Industrialisierung von Einweg-Lithiumbatterien behindert haben. Im Gegensatz dazu haben wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezellen diese technologischen Engpässe grundlegend überwunden, indem sie die Recyclingfähigkeit ermöglicht und die neue Ära der Lithium-basierten Energie eingeläutet haben.

 

Die derzeit weit verbreiteten wiederaufladbaren Lithiumbatterien stellen den weiterentwickelten Standard der Branche dar. Sie funktionieren durch die Interkalation und De-Interkalation (Migration) von Lithiumionen zwischen Kathode und Anode während Lade- und Entladezyklen; Da reines metallisches Lithium nicht an der Reaktion beteiligt ist, werden Sicherheit und Stabilität deutlich erhöht. Diese wiederaufladbaren Batterien versorgen eine Vielzahl von Anwendungen mit Strom, von Unterhaltungselektronik und Industriegeräten bis hin zu Fahrzeugen mit neuer Energie.

 

Jahrzehnte der technologischen Entwicklung haben zur Entwicklung verschiedener gängiger Kathodenmaterialsysteme für Lithium-Ionen-Batterien geführt, um unterschiedlichen Betriebsanforderungen gerecht zu werden. Insbesondere Lithiumeisenphosphat (LFP) hat sich als Kernmaterial für die industrielle Energiespeicherung herausgestellt. Zu den üblichen Kathodenmaterialien gehören Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumnickeloxid und Lithiumeisenphosphat; Die Wahl des Materials bestimmt die Sicherheit, Lebensdauer und Energiedichte der Batterie. Dank ihrer überlegenen Sicherheit und außergewöhnlich langen Zyklenlebensdauer sind LFP-Zellen zur bevorzugten Wahl für Energiespeicher- und Antriebsanwendungen geworden.

 

Lithium-{0}}Ionenbatterien werden nach ihrem Elektrolytzustand in flüssige -Elektrolyte und Polymer--Elektrolyte eingeteilt. Flüssig-Elektrolytbatterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten; Sie zeichnen sich durch ausgereifte Technologie und überschaubare Kosten aus und sind daher die erste Wahl für neue Fahrzeugbatterien. Polymerelektrolytbatterien verwenden einen festen Polymerelektrolyten im Trocken- oder Gelzustand und bieten einen dünneren, leichteren Formfaktor und mehr Sicherheit. LFP-Zellen kombinieren die Lithium-Eisenphosphat-Chemie mit ausgereiften Herstellungsprozessen und gleichen Leistung und Kosten aus, um für verschiedene Hochleistungsanwendungen geeignet zu sein.

 

Im Jahr 1992 auf den Markt gebracht, haben Lithium--Ionenbatterien-mit Vorteilen wie hoher Energiedichte, dem Fehlen eines Memory-Effekts und niedrigen Selbstentladungsraten-herkömmliche Blei-Säurebatterien und primäre Lithiumbatterien der frühen-Generation vollständig abgelöst. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien unterstützt es wiederholte Lade-{8}}Entladezyklen und bietet eine deutlich längere Lebensdauer, wodurch es sich für Szenarien eignet, die einen langfristigen Dauerbetrieb erfordern. Die Batterieenergiespeicherindustrie hat den groß angelegten, routinemäßigen Einsatz von Energiespeicherkraftwerken erreicht.