Lithium-Ionen-Akku: Funktionsprinzip und Varianten, Vorteile und Regeln für den Betrieb des Akkus

In modernen Mobiltelefonen, Kameras und anderen Geräten werden am häufigsten Lithium-Ionen-Batterien verwendet, die Alkali- und Nickel-Cadmium-Batterien ersetzen, die sie in vielerlei Hinsicht übertreffen. Zum ersten Mal tauchten in den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts Batterien mit einer Lithiumanode auf und erfreuten sich aufgrund ihrer hohen Spannung und Energieintensität sofort großer Beliebtheit.

Geschichte des Aussehens

Die Entwicklungen waren nur von kurzer Dauer, aber auf praktischer Ebene traten Schwierigkeiten auf, die erst in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts gelöst wurden. Aufgrund der hohen Aktivität von Lithium fanden im Inneren des Elements chemische Prozesse statt, die zur Verbrennung führten.

In den frühen 90er Jahren ereigneten sich eine Reihe von Unfällen - Telefonbenutzer erlitten beim Sprechen schwere Verbrennungen durch Selbstentzündung der Elemente und dann die Kommunikationsgeräte selbst. In diesem Zusammenhang wurden die Batterien komplett abgekündigt und die bisher freigegebenen Batterien aus dem Verkauf zurückgenommen.

In modernen Lithium-Ionen-Akkus wird kein reines Metall verwendet, sondern nur seine ionisierten Verbindungen, da diese stabiler sind. Leider mussten die Wissenschaftler die Kapazität der Batterie erheblich reduzieren, aber sie haben es geschafft, die Hauptsache zu erreichen - die Menschen erlitten keine Verbrennungen mehr.

Das Kristallgitter verschiedener Kohlenstoffverbindungen erwies sich als geeignet für die Interkalation von Lithiumionen an der negativen Elektrode. Beim Laden wandern sie von der Anode zur Kathode und beim Entladen umgekehrt.

Funktionsprinzip und Varianten

In jeder Lithium-Ionen-Batterie basiert die negative Elektrode auf kohlenstoffhaltigen Substanzen, deren Struktur geordnet oder teilgeordnet sein kann. Der Prozess der Li-Interkalation in C ändert sich je nach Material. Die positive Elektrode besteht hauptsächlich aus beschichtetem Nickel oder Kobaltoxid.

Zusammenfassend lassen sich alle Reaktionen in den folgenden Gleichungen darstellen:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe - für die Kathode.
2. С + xLi + + xe → CLix - für die Anode.

Die Gleichungen sind für den Fall einer Entladung angegeben, bei Ladung fließen sie in die entgegengesetzte Richtung. Wissenschaftler forschen an neuen Materialien, die aus gemischten Phosphaten und Oxiden bestehen. Diese Materialien sollen für die Kathode verwendet werden.

Es gibt zwei Arten von Li-Ion-Akkus:

1. zylindrisch;
2. prismatisch.

Der Hauptunterschied ist die Anordnung der Platten (prismatisch - übereinander). Die Größe der Lithiumbatterie hängt davon ab. Prismatische sind in der Regel dichter und kompakter.

Darüber hinaus befindet sich im Inneren ein Sicherheitssystem - ein Mechanismus, der den Widerstand bei steigender Temperatur erhöht und bei steigendem Druck den Anoden-Kathoden-Kreislauf unterbricht. Dank der elektronischen Platine wird ein Kurzschluss unmöglich, da sie die Prozesse im Inneren der Batterie steuert.

Elektroden mit entgegengesetzter Polarität werden durch einen Separator getrennt. Das Gehäuse muss abgedichtet sein, das Auslaufen von Elektrolyt oder das Eindringen von Wasser und Sauerstoff zerstört sowohl die Batterie als auch das elektronische Gerät selbst.

Unterschiedliche Hersteller lassen einen Lithium-Ionen-Akku ganz unterschiedlich aussehen, es gibt keine einheitliche Form des Produkts. Das Verhältnis der aktiven Massen von Anode zu Kathode sollte etwa 1:1 betragen, sonst ist die Bildung von Lithiummetall möglich, das zu einem Brand führt.

Vorteile und Nachteile

Batterien haben eine hervorragende Leistung, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich ist. Die Nennspannung beträgt 3,7-3,8 V mit maximal 4,4 V. Die Energiedichte (einer der Hauptindikatoren) beträgt 110-230 W * h / kg.

Der Innenwiderstand beträgt 5 bis 15 mΩ / 1Ah. Die Lebensdauer bezogen auf die Zyklenzahl (Entladen / Laden) beträgt 1000-5000 Einheiten. Die Zeit für das Schnellladen beträgt 15-60 Minuten. Einer der wichtigsten Vorteile ist die langsame Selbstentladung (nur 10-20% pro Jahr, davon 3-6% im ersten Monat). Der Betriebstemperaturbereich beträgt 0 C - +65 C, bei Minustemperaturen ist kein Aufladen möglich.

Die Aufladung erfolgt in mehreren Stufen:

1. bis zu einem bestimmten Punkt fließt der maximale Ladestrom;
2. bei Erreichen der Betriebsparameter sinkt der Strom allmählich auf 3% des Maximalwerts.

Während der Lagerung etwa alle 500 Stunden ist ein periodisches Aufladen erforderlich, um die Selbstentladung auszugleichen. Bei Überladung kann metallisches Lithium abgeschieden werden, das in Wechselwirkung mit dem Elektrolyten Sauerstoff bildet. Dies erhöht das Leckagerisiko durch erhöhten Innendruck.

Häufiges Aufladen verkürzt die Batterielebensdauer erheblich. Außerdem werden Umgebung, Temperatur, Strom etc. beeinflusst.

Das Element hat Nachteile, unter denen Folgendes unterschieden wird:

1. Hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Entlade-Lade-Modus, daher sind eingebaute Sicherheitselemente erforderlich.
2. Lassen Sie das Gerät nicht vollständig entladen. Dies führt zu einer sehr großen Reduzierung der Lebensdauer.
3. Bei unkontrollierter Entladung wird die Lebensdauer stark reduziert.
4. Bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen erfolgt die Entladung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Je höher die Temperatur, desto größer der Kapazitätsverlust.
5. Wenn Sie den Akku nicht vollständig aufladen und anschließend entladen, werden Speicher-„Mikroeffekte“ erzeugt. Dies liegt an der Dynamik von Ionen, die sich unter den betrachteten Bedingungen merklich verschlechtert.
6. Bei unvollständiger Aufladung haben nicht alle Ionen an der Kathode Zeit, die Freisetzungsbarriere zu überwinden, die im Grenzzustand "steckengeblieben" ist. Dann, während der Entladung, stoßen sie bei dem Versuch, an ihren Platz zurückzukehren, dort auf dieselben Partikel. All dies führt zu Veränderungen in der Struktur der Elektrode.

Betriebsbedingungen

Lagern Sie den Akku am besten unter folgenden Bedingungen: Die Ladung sollte mindestens 40% betragen und die Temperatur sollte nicht sehr niedrig oder hoch sein. Die beste Option ist der Bereich von 0 ° C bis + 10 ° C. Normalerweise gehen in 2 Jahren etwa 4% der Kapazität verloren, weshalb vom Kauf von Batterien mit früheren Herstellungsdaten abgeraten wird.

Wissenschaftler haben eine Möglichkeit erfunden, die Haltbarkeit zu verlängern. Dem Elektrolyten wird ein geeignetes Konservierungsmittel zugesetzt. Allerdings sollten solche Akkus in Form von 2-3 Vollentlade-/Ladezyklen „trainiert“ werden, damit sie anschließend normal funktionieren können. Andernfalls kann es zu einem „Memory-Effekt“ und anschließender Quellung der gesamten Struktur kommen. Bei sachgemäßer Verwendung und Einhaltung aller Lagerstandards kann der Akku lange dienen, während seine Kapazität auf einem hohen Niveau bleibt.