Halbfestkörperbatterie vs. Lithium-Ionen-Batterie

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Halbfestkörperbatterie vs. Lithium-Ionen-Batterie

Eine Batterie bezieht sich auf einen Raum in einem Becher, einer Wanne oder einem anderen Behälter oder Verbundbehälter, der eine Elektrolytlösung und Metallelektroden zur Stromerzeugung enthält. Es handelt sich um ein Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Es hat positive und negative Pole. Mit der Weiterentwicklung der Technologie bezieht sich der Begriff „Batterie“ heute allgemein auf kleine Geräte, die elektrische Energie erzeugen können, beispielsweise Solarzellen. Zu den Leistungsparametern einer Batterie gehören hauptsächlich elektromotorische Kraft, Kapazität, spezifische Energie und Widerstand. Durch die Verwendung einer Batterie als Energiequelle kann man eine stabile Spannung, einen stabilen Strom, eine langfristig stabile Stromversorgung, einen Strom, der nur minimal von äußeren Faktoren beeinflusst wird, und eine einfache Struktur erhalten, die leicht zu transportieren ist. Der Lade- und Entladevorgang ist bequem und unkompliziert. Batterien unterliegen keinem Einfluss äußerer Wetterbedingungen und Temperaturen, weisen eine stabile und zuverlässige Leistung auf und spielen in verschiedenen Aspekten des modernen gesellschaftlichen Lebens eine wichtige Rolle.

Es gibt verschiedene gängige Batterietypen, darunter:

  1. Trockenzellen: Trockenzellen gehören zur primären Batteriekategorie chemischer Energiequellen und sind Einwegbatterien. Sie werden Trockenzellen genannt, weil der Elektrolyt in dieser Art chemischer Energiequelle eine nicht fließfähige Paste ist, im Gegensatz zu Batterien mit fließfähigem Elektrolyten. Trockenzellen eignen sich für verschiedene Anwendungen, darunter Taschenlampen, Halbleiterradios, Rekorder, Kameras, elektronische Uhren, Spielzeug, sowie in der Landesverteidigung, wissenschaftlichen Forschung, Telekommunikation, Navigation, Luftfahrt, Medizin und anderen Bereichen der Volkswirtschaft.

Blei-Säure-Batterien, die sich auf ihre starke Hochstromentladungsleistung, ihre stabilen Spannungseigenschaften, ihre Anwendbarkeit in einem weiten Temperaturbereich, ihre große Einzelbatteriekapazität, ihre hohe Sicherheit, reichlich vorhandene und wiederverwertbare Rohstoffe und ihre niedrigen Kosten verlassen, nehmen in den meisten Fällen eine feste Position ein traditionelle und einige neue Anwendungsbereiche. Zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Blei-Säure-Batterie liegt eine Spannung von 2 Volt. Einer der Vorteile von Akkumulatoren besteht darin, dass sie mehrfach verwendet werden können. Darüber hinaus können sie aufgrund ihres extrem geringen Innenwiderstands einen großen Strom liefern. Bei der Stromversorgung eines Automotors können Blei-Säure-Batterien Momentanströme von mehr als 20 Ampere liefern. Beim Laden speichert die Batterie elektrische Energie und beim Entladen wandelt sie chemische Energie in elektrische Energie um. Blei-Säure-Batterien finden weitverbreitete Anwendung in Automobilen, Zügen, Traktoren, Motorrädern, Elektrofahrzeugen sowie in der Kommunikation, in Kraftwerken, bei der Energieübertragung, Instrumentierung, USV-Stromversorgung und in den Bereichen Flugzeuge, Panzer, Schiffe und Radarsysteme , und mehr

Eine Lithiumbatterie ist ein Batterietyp mit Lithium als negativer Elektrode. Es handelt sich um eine neue Hochenergiebatterie, die nach den 1960er Jahren entwickelt wurde. Die Kategorisierung erfolgt nach dem verwendeten Elektrolyten:

  1. Hochtemperatur-Lithiumbatterie mit geschmolzenem Salz.
  2. Lithiumbatterie mit organischem Elektrolyt.
  3. Anorganische Lithiumbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyt.
  4. Festelektrolyt-Lithiumbatterie.
  5. Lithium-Wasser-Batterie.

Zu den Vorteilen von Lithiumbatterien gehören eine hohe Einzelzellenspannung, eine große spezifische Energie, eine lange Lagerfähigkeit (bis zu 10 Jahre) und eine gute Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen (einsetzbar im Bereich von -40 bis 150 °C). Zu den Nachteilen gehören jedoch die hohen Kosten und die relativ geringe Sicherheit. Darüber hinaus müssen Probleme wie Spannungsverzögerung und Sicherheitsbedenken noch verbessert werden. Die bedeutende Entwicklung von Energiebatterien und das Aufkommen neuer positiver Elektrodenmaterialien, insbesondere die Weiterentwicklung von Lithiumeisenphosphatmaterialien, haben wesentlich zum Fortschritt von Lithiumbatterien beigetragen.

Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Akkus, umgangssprachlich auch Lithiumbatterien genannt, werden in Smartphones und Laptops verwendet. Diese Batterien verwenden typischerweise Materialien, die Lithiumelemente als Elektroden enthalten, und stellen moderne Hochleistungsbatterien dar. Lithium-Ionen-Batterien wurden ursprünglich 1990 von Sony entwickelt und verwenden nichtwässrige flüssige organische Elektrolyte. Es ist wichtig zu beachten, dass sie leicht mit zwei anderen Batterietypen verwechselt werden können:

  1. Lithiumbatterien mit metallischem Lithium als negativer Elektrode.
  2. Lithium-Ionen-Polymerbatterien, die Polymere zum Gelatinieren flüssiger organischer Lösungsmittel verwenden oder direkt Festkörperelektrolyte verwenden. Lithium-Ionen-Batterien verwenden im Allgemeinen graphitähnliche Kohlenstoffmaterialien als negative Elektrode.

Halbfestkörperbatterien: Bevor wir uns mit Halbfestkörperbatterien befassen, müssen wir verstehen, was Festkörperbatterien sind. Festkörperbatterien verwenden feste Elektroden und feste Elektrolyte. Herkömmliche flüssige Lithiumbatterien, oft metaphorisch als „Schaukelstuhlbatterien“ bezeichnet, haben positive und negative Pole an den Enden des Schaukelstuhls und einen flüssigen Elektrolyten in der Mitte. Lithium-Ionen pendeln wie geschickte Sportler zwischen dem Plus- und dem Minuspol hin und her und vervollständigen so den Lade- und Entladevorgang der Batterie. Das Prinzip von Festkörperbatterien ist ähnlich, ihr Elektrolyt ist jedoch fest. Diese Dichte und Struktur ermöglichen, dass sich mehr geladene Ionen auf einer Seite sammeln, was eine stärkere Stromleitung ermöglicht und dadurch die Batteriekapazität erhöht. Folglich können Festkörperbatterien bei gleicher Energiemenge kleiner sein. Da außerdem kein flüssiger Elektrolyt vorhanden ist, wird die Abdichtung einfacher, sodass keine zusätzlichen Kühlrohre und elektronischen Steuerungen in großen Geräten wie Autos erforderlich sind, was zu Kosteneinsparungen und einer Gewichtsreduzierung führt.

Obwohl das Konzept der Festkörperbatterien nicht neu ist, waren die Entwicklungsfortschritte nicht so schnell wie ursprünglich angenommen. Der Übergang vom Laborversuch zur Massenproduktion wird noch viel Zeit in Anspruch nehmen, selbst wenn Kostensenkungen erreicht werden können. Wie bei flüssigen Lithiumbatterien in den 1970er-Jahren schritten die Konzeptualisierung und experimentelle Verifizierung gleichzeitig voran, eine weitverbreitete Nutzung erfolgte jedoch erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts.

In dieser Übergangsphase zwischen flüssigen Lithiumbatterien und Festkörperbatterien sind Halbfestkörperbatterien entstanden. Halbfestkörperbatterien haben auf einer Seite eine Elektrode, die keinen flüssigen Elektrolyten enthält, während die andere Seite flüssigen Elektrolyten enthält. Der Anteil der Festelektrolytmasse bzw. des Festelektrolytvolumens in einer einzelnen Zelle beträgt die Hälfte der Gesamtelektrolytmasse bzw. des Gesamtvolumens. Aufgrund des teilweisen Festelektrolyten bieten Halbfestbatterien eine höhere Sicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Flüssiglithiumbatterien. Sie sind weniger anfällig für Explosionen, selbst wenn sie durchstochen werden. Diese Batterien verwenden Materialien mit hoher Energiedichte, was eine erhöhte Energiedichte und eine Lebensdauer von über 2000 Zyklen bietet. Darüber hinaus wird durch die Reduzierung des Elektrolyten in Halbfestkörperbatterien deren Gewicht effektiv reduziert. In Bezug auf die Batteriestruktur verwenden halbfeste Batterien typischerweise ein flexibles Beutelformat mit einer Aluminium-Kunststofffolie, die Aluminium- oder Stahlgehäusekomponenten ersetzt. Die chinesische Elektrofahrzeugmarke „NIO“ setzt in ihren Fahrzeugen Semi-Solid-State-Batterien ein.

Nachfolgend finden Sie das Demontage- und Nadelstichexperiment, das wir mit den in unseren Produkten verwendeten halbfesten Batteriezellen durchgeführt haben.

Lithium-Ionen-Batterien: Lithium-Ionen-Batterien betten Lithiumionen in Kohlenstoff (Petrolkoks und Graphit) ein, um die negative Elektrode zu bilden (herkömmliche Lithiumbatterien verwenden Lithium oder Lithiumlegierungen als negative Elektrode). Zu den gängigen Materialien für positive Elektroden gehören LixCoO2, LixNiO2 und LixMnO4. Der Elektrolyt besteht aus LiPF6 + Ethylencarbonat (EC) + Dimethylcarbonat (DMC). Petrolkoks und Graphit, die als negative Elektrodenmaterialien verwendet werden, sind ungiftige und reichlich vorhandene Ressourcen. Durch die Einbettung von Lithiumionen in Kohlenstoff wird die hohe Reaktivität von Lithium überwunden, wodurch Sicherheitsprobleme bei herkömmlichen Lithiumbatterien behoben werden. Die positive Elektrode LixCoO2 erreicht beim Laden und Entladen ein hohes Leistungsniveau und eine hohe Lebensdauer, wodurch die Kosten gesenkt werden. Die Reaktion beim Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien ist wie folgt:

Halbfestkörperbatterien: Halbfestkörperbatterien bestehen aus farbigen Substanzen, die als positive Elektroden dienen können, wie z. B. Natriumsilikat (Na2Si2O5), Natriummetasilikat (Na2SiO3) oder Siliziumdioxid (SiO2), und farbigen Substanzen, die als negative Elektroden dienen, wie z. B. Titandioxid (TiO2), Natriumtitanat (Na2TiO3) oder Titansuboxid (Ti4O7). Positive Elektrodenmaterialien können Lithiumionen absorbieren und speichern, während negative Elektrodenmaterialien Lithiumionen abgeben können. Darüber hinaus können bestimmte Rohstoffe in der Batterie verwendet werden, um die Leistung fester Elektrodenmaterialien zu verbessern, wie z. B. Amin (Ethylamin, H3CNH2), Ammoniumbicarbonat (NH4HCO3), Fluorharz (Fluorharz), Dimethylphosphat (Dimethylphosphat) und Carboxylate. Der Reaktionsprozess der positiven Elektrode in Halbfestkörperbatterien ist komplex und die elektronische Leistung wird hauptsächlich von den in der positiven Elektrode ablaufenden Reaktionen abgeleitet, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit von den Reaktantenkonzentrationen und Elektronentransferraten abhängt.

Leistungsvergleich:

Lithium-Ionen-Batterien:

  1. Hochspannung: Die Spannung einer einzelnen Zelle erreicht 3,7–3,8 V, dreimal so viel wie bei Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus.
  2. Lange Lebensdauer: Im Allgemeinen mehr als 500 Zyklen, sogar mehr als 1000 Zyklen; Phosphor-Eisen-Lithium kann bis zu 8000 Zyklen erreichen.
  3. Gute Sicherheitsleistung: Umweltfreundlich ohne Memory-Effekt. Li-Ion, der Vorläufer von Lithium-Ionen-Batterien, eliminiert das Risiko von Kurzschlüssen aufgrund von Lithiumdendriten und erweitert so seinen Anwendungsbereich.
  4. Geringe Selbstentladung: Ungefähr 2 % Selbstentladungsrate nach einem Monat bei Raumtemperatur, deutlich niedriger als bei Ni-Cd (25–30 %) und Ni-MH (30–35 %).
  5. Schnellladung: Durch 30-minütiges Laden mit 1C können über 80 % der Nennkapazität erreicht werden, und Phosphor-Eisen-Batterien können in 10 Minuten 90 % erreichen.
  6. Betriebstemperatur: Die Betriebstemperatur reicht von -25 bis 60 °C, mit der Möglichkeit einer Ausweitung auf -40 bis 70 °C durch Verbesserungen des Elektrolyten und der positiven Elektrode.

Halbfestkörperbatterien:

  1. Leicht, hohe Energiedichte: Änderungen in den anwendbaren Materialsystemen, insbesondere die direkte Verwendung von metallischem Lithium anstelle von in Lithium eingebettetem Graphit als negative Elektrode, erhöhen die Energiedichte erheblich.
  2. Dünn, kleines Volumen: Durch den Wegfall von Separatoren und flüssigen Elektrolyten wird die Dicke verringert, was die Technologie halbfester Batterien für Miniaturisierung und Dünnschichtanwendungen unerlässlich macht.
  3. Flexibilität: Die Verwendung spröder Keramikmaterialien in halbfesten Batterien ermöglicht, wenn sie auf eine Dicke im Millimeterbereich reduziert werden, Flexibilität. Durch geeignete Verkapselungsmaterialien kann die Batterie Hunderten bis Tausenden von Biegungen ohne nennenswerte Leistungseinbußen standhalten.
  4. Erhöhte Sicherheit: Beseitigt die Gefahren, die mit der Bildung von Lithiumdendriten bei hohem Strom verbunden sind, und verringert das Risiko von Reaktionen, Oxidation, Gasbildung und Verbrennung, die mit organischen Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Lithiumbatterien verbunden sind.

Vergleich zwischen Flüssig- und Halbfestkörperbatterien: Im Vergleich zu Flüssigkörperbatterien ist das Hauptmerkmal von Halbfestkörperbatterien die Einführung von Festkörperelektrolyten, die die herkömmliche Kombination aus Flüssigelektrolyten und Separatoren ersetzen. Halbfestkörperbatterien nutzen halbfeste Elektrolyte, was die Sicherheit im Vergleich zu Flüssigkörperbatterien erheblich verbessert. Zu den derzeit führenden chinesischen Entwicklern von Halbfestkörperbatterien gehören Weilan New Energy, Ganfeng Lithium, Funeng Technology, Guoxuan High-Tech und Qingtao Energy, die alle die Industrialisierung von Halbfestkörperbatterien erreicht haben.

Anwendungsbereich:

Lithium-Ionen-Batterien: In den letzten Jahren haben Lithium-Ionen-Batterien weit verbreitete Anwendungen gefunden, darunter Energiespeichersysteme in Wasser-, Wärme-, Wind- und Solarkraftwerken. Sie werden auch in großem Umfang in Elektrowerkzeugen, Elektrofahrrädern, Elektromotorrädern, Elektrofahrzeugen, Spezialausrüstungen, spezieller Luft- und Raumfahrt und verschiedenen anderen Bereichen eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien breiten sich nach und nach in Bereichen wie Elektrofahrrädern und Elektrofahrzeugen aus.

Halbfestkörperbatterien: Halbfestkörperbatterien können in bemannten Luftfahrzeugen, landwirtschaftlichen Sprühgeräten, Industriepatrouillen, Waldbrandbekämpfung, Bauüberwachung, Gütertransport, Luftbildfotografie, Kartierung, Unterhaltungselektronikprodukten, tragbaren Energiespeichern und Fahrzeugen mit neuer Energie eingesetzt werden.

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