Lithium-Ionen-Batterien sind überall um uns herum und halten unsere Geräte und Autos am Laufen. Sie sind wie die kleinen Motoren, die unsere Welt antreiben. Aber was steckt in ihnen und sorgt dafür, dass sie funktionieren? Werfen wir einen Blick darauf.
Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?
Lithium-Ionen-Batterien sind wie kleine Energiefabriken. Sie nutzen Lithium-Ionen zur Stromerzeugung.
Stellen Sie sich diese Ionen als Boten vor, die Energie zwischen zwei Batterieteilen transportieren. Im Inneren sorgt ein Separator dafür, dass sich Lithiumionen zwischen den Seiten bewegen können, während er Elektronen blockiert.
Beim Laden wandern Ionen von der positiven zur negativen Seite und speichern so Energie. Beim Entladen kehren die Ionen zur positiven Seite zurück und liefern dort Strom. Diese Hin- und Herbewegung von Lithiumionen erzeugt Spannung, die Elektronen durch das angeschlossene Gerät drückt und es mit Strom versorgt.
Lithium-Ionen-Akku vs. Lithium-Ionen-Zelle
Lassen Sie uns über den Unterschied zwischen einer Lithium-Ionen-Batterie und einer Lithium-Ionen-Zelle sprechen.
Eine Lithium-Ionen-Batterie ist wie ein Team von Läufern, wobei jede Lithium-Ionen-Zelle einer dieser Läufer ist. Um stark zu sein, braucht das Team die Zusammenarbeit aller Läufer.
Jede dieser Zellen hat ihre eigene Spannung. Beispielsweise liegt die Spannung einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle zwischen 3,2 und 3,8 Volt. Um größere Geräte mit Strom zu versorgen, können wir mehrere Zellen zu einer Batterie mit höherer Spannung kombinieren, beispielsweise 12, 24 oder 48 Volt. Aneinanderreihen von Zellen in Serie addiert ihre Spannungen.
Zellen können auch parallel geschaltet werden. Dadurch wird ihre Kapazität gebündelt, sodass zwei parallele Zellen etwa doppelt so lange halten wie eine.
Was ist in einem Lithium-Ionen-Akku enthalten?
Eine Lithiumbatterie enthält mehrere in Reihe und parallel geschaltete Lithium-Ionen-Zellen sowie Anschlussdrähte und a Batteriemanagementsystem (BMS).
Das BMS überwacht den Zustand und die Temperatur der Batterie. Außerdem kann die Energie bei jeder vollständigen Ladung über alle Zellen hinweg ausgeglichen werden, um die Lebensdauer und Leistung des Akkus zu maximieren.
Was befindet sich in einer Lithium-Ionen-Zelle?
Das Innere einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle ist recht übersichtlich. Es besteht aus vier Hauptkomponenten: der Anode, der Kathode, einem Elektrolyten und einem Separator. Diese Komponenten arbeiten nahtlos zusammen, um Energie nach Bedarf zu speichern und abzugeben.
Anode und Kathode
Das Herzstück einer Lithium-Ionen-Zelle sind die beiden Elektroden – die Anode und die Kathode. Diese spielen eine entscheidende Rolle für die Energiespeicher- und -abgabefähigkeit der Batterie.
Die negative Elektrode, auch Anode genannt, besteht typischerweise aus Graphit. Während des Ladevorgangs wandern Lithiumionen von der Kathode durch den Separator und werden in der Anode gespeichert. Wenn die Batterie im Einsatz ist und sich entlädt, fließen die Lithiumionen von der Anode zur Kathode zurück.
Auf der anderen Seite besteht die positive Elektrode oder Kathode häufig aus Metalloxiden auf Lithiumbasis. Zu den gängigen Kathodenmaterialien gehören Lithiumkobaltoxid (LCO), Lithiumeisenphosphat (LFP) und Lithiummanganoxid (LMO). Jede dieser Chemikalien bietet ihre eigenen einzigartigen Vorteile in Bezug auf Energiedichte, Sicherheit und Zyklenlebensdauer.
LCO-basierte Zellen weisen beispielsweise tendenziell eine höhere Energiedichte auf, was sie zu einer beliebten Wahl für Smartphones und Laptops macht. LFP-Zellen hingegen sind für ihre überlegene Sicherheit und lange Lebensdauer bekannt, was sie zu einer bevorzugten Option für Elektrofahrzeuge macht. LMO-Zellen schaffen ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte und Kosteneffizienz.
Elektrolyt
Der Elektrolyt erleichtert den Lithiumionenfluss zwischen Anode und Kathode während des Ladens und Entladens.
Der häufigster Elektrolyt In einer Lithium-Ionen-Zelle wird ein Lithiumsalz, typischerweise Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), verwendet, das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist. Dieses Lithiumsalz stellt das notwendige Medium dar, damit sich die Lithiumionen frei zwischen den beiden Elektroden bewegen können.
Beim Laden werden die Lithiumionen aus der Kathode extrahiert und wandern durch den Elektrolyten, um in der Anode gespeichert zu werden. Wenn die Batterie im Einsatz ist und sich entlädt, läuft der Vorgang umgekehrt ab: Die Lithium-Ionen fließen von der Anode zur Kathode zurück und erzeugen so den notwendigen elektrischen Strom.
Separator
Der Separator liegt zwischen Anode und Kathode. Dieses dünne Material lässt Lithiumionen durch, stoppt jedoch die elektrische Leitung und zwingt Elektronen, durch das Gerät zu fließen.
Der Separator spielt auch eine Sicherheitsfunktion – bei Überhitzung schließen sich die Poren, Stoppen des Lithium-Ionen-Transports und Abschalten der Batteriezelle um Schäden oder Feuer zu verhindern.
Abschluss
Ein Lithium-Ionen-Akku sieht von außen einfach aus, aber wenn man tiefer in die Materie eintaucht, entdeckt man viele verschiedene Komponenten.
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