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Was sind Lithium-Ionen-Batterien

Mai 06, 2023

1. Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Eine Batterie ist eine Stromquelle, die aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen mit externen Anschlüssen zur Stromversorgung elektrischer Geräte besteht. Eine Lithium-Ionen- oder Li-Ionen-Batterie ist ein wiederaufladbarer Batterietyp, der die reversible Reduktion von Lithium-Ionen zur Energiespeicherung nutzt und sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnet.




2. Die Struktur von Lithium-Ionen-Batterien

Im Allgemeinen verwenden die meisten kommerziellen Li-Ionen-Batterien Interkalationsverbindungen als aktive Materialien. Sie bestehen typischerweise aus mehreren Materialschichten, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, um den elektrochemischen Prozess zu erleichtern, der es der Batterie ermöglicht, Energie zu speichern und abzugeben – Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Stromkollektor.


Was ist Anode?

Als Bestandteil der Batterie spielt die Anode eine wichtige Rolle für die Kapazität, Leistung und Haltbarkeit der Batterie. Beim Laden ist die Graphitanode für die Aufnahme und Speicherung von Lithium-Ionen verantwortlich. Beim Entladen der Batterie wandern die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode, sodass ein elektrischer Strom entsteht. Im Allgemeinen ist Graphit die am häufigsten kommerziell verwendete Anode, die im vollständig lithiierten Zustand von LiC6 einer maximalen Kapazität von 1339 C/g (372 mAh/g) entspricht. Doch mit der Entwicklung von Technologien wurden neue Materialien wie Silizium erforscht, um die Energiedichten für Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.


Was ist Kathode?

Die Kathode nimmt während der Stromzyklen positiv geladene Lithiumionen auf und gibt sie frei. Es besteht normalerweise aus einer Schichtstruktur aus einem Schichtoxid (z. B. Lithiumkobaltoxid), einem Polyanion (z. B. Lithiumeisenphosphat) oder einem Spinell (z. B. Lithiummanganoxid), das auf einen Ladungskollektor (normalerweise aus Aluminium) aufgetragen ist. 


Was ist Elektrolyt?

Als Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel dient der Elektrolyt als Medium für die Bewegung von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode beim Laden und Entladen.

Was ist ein Trennzeichen?


Als dünne Membran oder Schicht aus nicht leitendem Material verhindert der Separator einen Kurzschluss zwischen Anode (negative Elektrode) und Kathode (positive Elektrode), da diese Schicht für Lithiumionen, jedoch nicht für Elektronen durchlässig ist. Es kann auch einen gleichmäßigen Ionenfluss zwischen den Elektroden während des Ladens und Entladens gewährleisten. Daher kann die Batterie eine stabile Spannung aufrechterhalten und das Risiko einer Überhitzung, Verbrennung oder Explosion verringern.

Was ist ein Stromkollektor?


Der Stromkollektor dient dazu, den von den Elektroden der Batterie erzeugten Strom zu sammeln und zum externen Stromkreis zu transportieren. Dies ist wichtig, um eine optimale Leistung und Langlebigkeit der Batterie zu gewährleisten. Und normalerweise besteht es aus einem dünnen Aluminium- oder Kupferblech.



3. Die Entwicklungsgeschichte von Lithium-Ionen-Batterien

Die Forschung zu wiederaufladbaren Li-Ionen-Batterien reicht bis in die 1960er Jahre zurück. Eines der frühesten Beispiele ist eine 1965 von der NASA entwickelte CuF2/Li-Batterie. Als in den 1970er Jahren die Welt von der Ölkrise heimgesucht wurde, wandten sich die Forscher alternativen Energiequellen zu. Der Durchbruch, der die früheste Form der modernen Li-Ionen-Batterie hervorbrachte, gelang dem geringen Gewicht und der hohen Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Gleichzeitig entdeckte Stanley Whittingham von Exxon, dass Lithiumionen in Materialien wie TiS2 eingefügt werden können, um eine wiederaufladbare Batterie herzustellen. 


Also versuchte er, diese Batterie zu kommerzialisieren, scheiterte jedoch an den hohen Kosten und dem Vorhandensein von metallischem Lithium in den Zellen. Im Jahr 1980 wurde festgestellt, dass ein neues Material eine höhere Spannung bietet und an der Luft viel stabiler ist. Dieses Material wurde später in der ersten kommerziellen Li-Ionen-Batterie verwendet, löste jedoch allein nicht das anhaltende Problem der Entflammbarkeit Im selben Jahr erfand Rachid Yazami die Lithium-Graphit-Elektrode (Anode). Und dann kamen 1991 die weltweit ersten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt. In den 2000er Jahren stieg die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien, da tragbare elektronische Geräte immer beliebter wurden, wodurch Lithium-Ionen-Batterien sicherer und langlebiger wurden. In den 2010er Jahren wurden Elektrofahrzeuge eingeführt, wodurch ein neuer Markt für Lithium-Ionen-Batterien entstand. 


Durch die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und Materialien wie Siliziumanoden und Festkörperelektrolyten wurde die Leistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien weiter verbessert. Heutzutage sind Lithium-Ionen-Batterien aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Daher wird weiterhin an neuen Materialien und Technologien geforscht und entwickelt, um die Leistung, Effizienz und Sicherheit dieser Batterien zu verbessern.



4. Die Arten von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien gibt es in verschiedenen Formen und Größen, und nicht alle sind gleich. Normalerweise gibt es fünf Arten von Lithium-Ionen-Batterien.

l Lithiumkobaltoxid

Lithium-Kobaltoxid-Batterien werden aus Lithiumcarbonat und Kobalt hergestellt und werden auch als Lithium-Kobaltat- oder Lithium-Ionen-Kobalt-Batterien bezeichnet. Sie verfügen über eine Kobaltoxid-Kathode und eine Graphit-Kohlenstoff-Anode, und beim Entladen wandern Lithiumionen von der Anode zur Kathode, wobei sich der Fluss beim Laden der Batterie umkehrt. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, geringen Selbstentladungsrate, hohen Betriebsspannung und ihres großen Temperaturbereichs werden sie in tragbaren elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Speichersystemen für erneuerbare Energien eingesetzt. Beachten Sie jedoch die damit verbundenen Sicherheitsbedenken auf das Potenzial für thermisches Durchgehen und Instabilität bei hohen Temperaturen.


l Lithiummanganoxid

Lithiummanganoxid (LiMn2O4) ist ein Kathodenmaterial, das üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Die Technologie für diese Art von Batterie wurde erstmals in den 1980er Jahren entdeckt und 1983 erstmals im Materials Research Bulletin veröffentlicht. Einer der Vorteile Der Vorteil von LiMn2O4 besteht darin, dass es eine gute thermische Stabilität aufweist, was bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich zu thermischem Durchgehen kommt, was auch sicherer ist als andere Lithium-Ionen-Batterietypen. Darüber hinaus ist Mangan reichlich vorhanden und weit verbreitet, was es im Vergleich zu Kathodenmaterialien, die begrenzte Ressourcen wie Kobalt enthalten, zu einer nachhaltigeren Option macht. Daher sind sie häufig in medizinischen Geräten und Geräten, Elektrowerkzeugen, Elektromotorrädern und anderen Anwendungen zu finden. Trotz seiner Vorteile weist LiMn2O4 im Vergleich zu LiCoO2 eine schlechtere Zyklenstabilität auf, was bedeutet, dass es möglicherweise häufiger ausgetauscht werden muss und daher möglicherweise nicht so gut für langfristige Energiespeichersysteme geeignet ist.


l Lithiumeisenphosphat (LFP)

Phosphat wird als Kathode in Lithium-Eisenphosphat-Batterien verwendet, die oft als Li-Phosphat-Batterien bezeichnet werden. Ihr geringer Widerstand hat ihre thermische Stabilität und Sicherheit verbessert. Sie sind außerdem für ihre Langlebigkeit und einen langen Lebenszyklus bekannt, was sie zur kostengünstigsten Alternative zu anderen Arten von Lithium-Ionen-Batterien macht. Daher werden diese Batterien häufig in Elektrofahrrädern und anderen Anwendungen eingesetzt, die eine lange Lebensdauer und ein hohes Maß an Sicherheit erfordern. Aber seine Nachteile erschweren eine schnelle Entwicklung. Erstens sind sie im Vergleich zu anderen Arten von Lithium-Ionen-Batterien teurer, da sie seltene und teure Rohstoffe verwenden. Darüber hinaus haben Lithium-Eisenphosphat-Batterien eine niedrigere Betriebsspannung, was bedeutet, dass sie für einige Anwendungen, die eine höhere Spannung erfordern, möglicherweise nicht geeignet sind. Aufgrund seiner längeren Ladezeit ist es bei Anwendungen, die ein schnelles Aufladen erfordern, von Nachteil.


l Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC)

Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien, oft als NMC-Batterien bekannt, bestehen aus einer Vielzahl von Materialien, die in Lithium-Ionen-Batterien universell einsetzbar sind. Im Lieferumfang ist eine Kathode enthalten, die aus einer Mischung aus Nickel, Mangan und Kobalt besteht. Seine hohe Energiedichte, gute Zyklenleistung und lange Lebensdauer haben es zur ersten Wahl in Elektrofahrzeugen, Netzspeichersystemen und anderen Hochleistungsanwendungen gemacht, was weiter zur wachsenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen beigetragen hat. Um die Kapazität zu erhöhen, werden neue Elektrolyte und Additive verwendet, um eine Aufladung auf 4,4 V/Zelle und mehr zu ermöglichen. Es besteht ein Trend zu NMC-gemischtem Li-Ion, da das System kostengünstig ist und eine gute Leistung bietet. Nickel, Mangan und Kobalt sind drei aktive Materialien, die leicht kombiniert werden können, um für eine Vielzahl von Anwendungen in der Automobilindustrie und bei Energiespeichersystemen (EES) geeignet zu sein, die häufige Zyklen erfordern.


 Daran können wir erkennen, dass die NMC-Familie immer vielfältiger wird

Allerdings können die Nebenwirkungen thermisches Durchgehen, Brandgefahr und Umweltbedenken seine weitere Entwicklung behindern.

l Lithiumtitanat

Lithiumtitanat, oft auch als Li-Titanat bekannt, ist ein Batterietyp, der immer häufiger eingesetzt wird. Aufgrund seiner überlegenen Nanotechnologie ist es in der Lage, schnell zu laden und zu entladen und gleichzeitig eine stabile Spannung aufrechtzuerhalten, wodurch es sich gut für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge, gewerbliche und industrielle Energiespeichersysteme und Netzspeicher eignet. Zusammen mit ihrer Sicherheit und Zuverlässigkeit könnten diese Batterien für Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen sowie für die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie und den Aufbau intelligenter Netze eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten diese Batterien laut Battery Space in systemkritischen Backups des Stromversorgungssystems eingesetzt werden. Dennoch sind Lithiumtitanat-Batterien aufgrund des für ihre Herstellung erforderlichen komplexen Herstellungsprozesses tendenziell teurer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.



5. Die Entwicklungstrends von Lithium-Ionen-Batterien

Das weltweite Wachstum erneuerbarer Energieanlagen hat die intermittierende Energieproduktion erhöht und ein unausgeglichenes Netz geschaffen. Dies hat zu einer Nachfrage nach Batterien geführt. Gleichzeitig veranlassen die Konzentration auf Null-Kohlenstoff-Emissionen und die Notwendigkeit, bei der Stromerzeugung von fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohle, abzuweichen, immer mehr Regierungen dazu, Anreize für Solar- und Windkraftanlagen zu schaffen. Diese Anlagen eignen sich für Batteriespeichersysteme, die überschüssigen erzeugten Strom speichern. Daher treiben staatliche Anreize, Anreize für die Installation von Li-Ionen-Batterien zu schaffen, auch die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien voran. Beispielsweise wird die globale Marktgröße für NMC-Lithium-Ionen-Batterien voraussichtlich von einer Million US-Dollar im Jahr 2022 auf eine Million US-Dollar im Jahr 2029 wachsen; Es wird erwartet, dass es von 2023 bis 2029 mit einer jährlichen Wachstumsrate von % wächst.  Und der steigende Bedarf von Anwendungen, die hohe Lasten erfordern, wird voraussichtlich dazu führen, dass Lithium-Ionen-Batterien mit 3.000 bis 10.000 im Prognosezeitraum (2022 bis 2030) das am schnellsten wachsende Segment sind.



6. Die Investitionsanalyse von Lithium-Ionen-Batterien

Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wird voraussichtlich von 51,16 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 118,15 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen und im Prognosezeitraum (2022–2030) eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 4,72 % aufweisen, die von mehreren Faktoren abhängt.

 

 

l Endbenutzeranalyse

Installationen im Versorgungssektor sind wichtige Treiber für Batterieenergiespeichersysteme (BESS). Dieses Segment wird voraussichtlich von 2,25 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 5,99 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 11,5 %. Li-Ionen-Batterien weisen aufgrund ihrer geringen Wachstumsbasis eine höhere CAGR von 34,4 % auf. Energiespeichersegmente für Privathaushalte und Gewerbe sind weitere Bereiche mit einem großen Marktpotenzial von 5,51 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030, gegenüber 1,68 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021. Der Industriesektor setzt seinen Marsch in Richtung Null-Kohlenstoff-Emissionen fort, wobei Unternehmen in den nächsten zwei Jahrzehnten Netto-Null-Verpflichtungen eingehen. Telekommunikations- und Rechenzentrumsunternehmen stehen bei der Reduzierung der CO2-Emissionen an vorderster Front und konzentrieren sich verstärkt auf erneuerbare Energiequellen. All dies wird die schnelle Entwicklung von fördern Lithium-Ionen-Batterien, da Unternehmen Wege finden, um zuverlässige Backup- und Netzausgleichsfunktionen sicherzustellen.


l Produkttypanalyse

Aufgrund des hohen Kobaltpreises sind kobaltfreie Batterien einer der Entwicklungstrends von Lithium-Ionen-Batterien. Hochspannungs-LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) mit hoher theoretischer Energiedichte ist eines der vielversprechendsten Co-freien Kathodenmaterialien in der Zukunft. Darüber hinaus bewiesen die experimentellen Ergebnisse, dass die Zyklen- und C-Rate-Leistung der LNMO-Batterie durch die Verwendung des halbfesten Elektrolyten verbessert wird. Dies lässt darauf schließen, dass das anionische COF in der Lage ist, Mn3+/Mn2+ und Ni2+ durch Coulomb-Wechselwirkung stark zu absorbieren und so deren zerstörerische Migration zur Anode einzudämmen. Daher wird diese Arbeit für die Kommerzialisierung von LNMO-Kathodenmaterial von Vorteil sein.


l Regionale Analyse

Der asiatisch-pazifische Raum wird bis 2030 der größte Markt für stationäre Lithium-Ionen-Batterien sein, angetrieben von Versorgungsunternehmen und der Industrie. Es wird Nordamerika und Europa mit einem Markt von 7,07 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 überholen und von 1,24 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 21,3 % wachsen. Nordamerika und Europa werden aufgrund ihrer Ziele, ihre Wirtschaft und ihr Netz in den nächsten zwei Jahrzehnten zu dekarbonisieren, die nächstgrößten Märkte sein. LATAM wird aufgrund seiner geringeren Größe und niedrigen Basis mit einem CAGR von 21,4 % die höchste Wachstumsrate verzeichnen.

 

7. Dinge, die Sie bei hochwertigen Lithium-Ionen-Batterien beachten sollten

Beim Kauf eines optischen Solarwechselrichters müssen nicht nur der Preis und die Qualität berücksichtigt werden, sondern auch andere Faktoren sollten im Auge behalten werden.


l Energiedichte

Die Energiedichte ist die pro Volumeneinheit gespeicherte Energiemenge. Höhere Energiedichte bei geringerem Gewicht und geringerer Größe, größere Reichweite zwischen den Ladezyklen.


l  Sicherheit

Sicherheit ist ein weiterer kritischer Aspekt von Lithium-Ionen-Batterien, da es beim Laden oder Entladen zu Explosionen und Bränden kommen kann. Daher ist es notwendig, Batterien mit verbesserten Sicherheitsmechanismen wie Temperatursensoren und hemmenden Substanzen zu wählen.


l Typ

Einer der neuesten Trends in der Lithium-Ionen-Batterieindustrie ist die Entwicklung von Festkörperbatterien, die eine Reihe von Vorteilen wie eine höhere Energiedichte und einen längeren Lebenszyklus bieten. Beispielsweise wird der Einsatz von Festkörperbatterien in Elektroautos deren Reichweite und Sicherheit deutlich erhöhen.


l Ladegeschwindigkeit

Die Ladegeschwindigkeit hängt davon ab, wie schnell der Akku sicher aufgeladen wird. Manchmal dauert das Aufladen des Akkus lange, bevor er verwendet werden kann.


l Lebensdauer

 Keine Batterie läuft die gesamte Lebensdauer, hat aber ein Ablaufdatum. Überprüfen Sie das Ablaufdatum, bevor Sie den Kauf tätigen. Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer Chemie eine von Natur aus längere Lebensdauer, aber jede Batterie unterscheidet sich je nach Typ, Spezifikationen und Herstellungsweise. Hochwertige Batterien halten länger, da sie im Inneren aus hochwertigen Materialien bestehen.

 

 

 

 

 


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