Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

1,Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs)als Vertreter der Sekundärbatterien (wiederaufladbare Batterien) sind derzeit die am häufigsten verwendeten Batterien. Lithium-Ionen-Batterien bestehen in der Regel aus positiven Elektroden, negativen Elektroden, Separatoren, Elektrolyten und Gehäusen. Während des Lade- und Entladevorgangs werden Lithium-Ionen zwischen den positiven und negativen Elektroden durch den internen Stromkreis und die Hin- und Herbewegung von Elektronen im externen Stromkreis hin- und herbewegt, um eine Auf- und Entladung zu erreichen. Je nach dem Material der positiven Elektrode, der Verpackung und der Anwendung können Lithium-Ionen-Batterien entsprechend klassifiziert werden. Bei langfristigen Lade-/Entladezyklen kommt es bei Lithium-Ionen-Batterien zu einer Reihe von Nebenreaktionen, wie z. B. Lithium-Plating und das Wachstum von SEI-Filmen (Solid Electrolyte Interface), die die Kapazität der Batterie verringern. Wenn die Kapazität der Batterie auf 80% der Anfangskapazität sinkt, wird dies als Ende der Lebensdauer der Batterie definiert. Sie zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie, eine lange Lebensdauer, eine hohe Betriebsspannung, einen großen Betriebstemperaturbereich, keinen Memory-Effekt, eine geringe Selbstentladung und Umweltfreundlichkeit aus. Daher werden sie häufig in Bereichen wie Fahrzeugen mit neuen Energien, Energiespeicherung im Netz und tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt.

2, Entwicklungsgeschichte der Lithium-Ionen-Batterien

In den 1950er Jahren untersuchten das US-Verteidigungsministerium und die National Aeronautics and Space Administration (NASA) Batterien mit hoher Energiedichte unter Verwendung von Metallfluoriden als positive Elektroden und Lithiummetall als negative Elektroden. Aufgrund von Problemen wie Lithium-Dendriten war die Leistung jedoch nicht ideal.

In den 1970er Jahren entdeckten John B. Goodenough und sein Forschungsteam bei Exxon Mobil, dass Lithium-Ionen in TiS2 schnell wandern können. Sie entwickelten die erste Lithiumbatterie mit TiS2 als positiver Elektrode und Lithiummetall als negativer Elektrode. Obwohl sie instabil war und eine geringe Energiedichte aufwies, wurde sie 40 Jahre lang verwendet.

Im Jahr 1980 wählte Goodenoughs Team LiCoO2 als positives Elektrodenmaterial, was die Energiedichte bei einer Hochspannung von 4 V erhöhte, obwohl weiterhin Lithiummetall als negative Elektrode verwendet wurde.

1982 entdeckten Forscher am Illinois Institute of Technology, darunter Prabakar Prabhakar und Selman, dass sich Lithiumionen in Graphit einlagern lassen, wodurch die Sicherheit von Lithiumbatterien verbessert wurde. Bell Labs entwickelte erfolgreich die erste brauchbare Lithium-Ionen-Graphit-Batterie.

1990 brachte die Sony Corporation offiziell Lithium-Ionen-Batterien mit Graphit als negativer Elektrode und lithiumhaltigen Verbindungen als positiver Elektrode auf den Markt, wodurch sie sich von Lithiumbatterien mit negativen Metallelektroden unterschieden und offiziell Lithium-Ionen-Batterien genannt wurden.

1996 entdeckte Goodenoughs Team, dass Lithiumeisenphosphat mit einer Olivinstruktur als positives Elektrodenmaterial sicherer und widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen und Überladung ist. Es hat sich als Material für die positive Elektrode durchgesetzt und ist weit verbreitet.

Seit dem 21. Jahrhundert sind dank der Bemühungen von Wissenschaftlern ternäre positive Elektrodenmaterialien mit höheren Kapazitäten und unterschiedlichen Anteilen von Ni, Co, Mn und Al-Übergangsmetalloxiden entstanden, die die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien vorantreiben.

Im Jahr 2019 wurde der Nobelpreis für Chemie an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino für ihre herausragenden Beiträge zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien verliehen.

3, Arbeitsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher, bei denen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Sie funktionieren im Wesentlichen wie Konzentrationszellen, die auch als "Schaukelstuhlbatterien" bezeichnet werden. Während des Ladevorgangs bewirkt die angelegte externe Spannung, dass Lithiumionen in der positiven Elektrode deinterkaliert und über einen Separator durch den Elektrolyten in die negative Elektrode interkaliert werden. Um die Ladungsneutralität aufrechtzuerhalten, fließen gleichzeitig Elektronen von der positiven Elektrode durch den externen Stromkreis zur negativen Elektrode. Da Lithiumionen kontinuierlich aus dem positiven Elektrodenmaterial deinterkalieren und in die negative Elektrode interkalieren, steigt das Potenzial der positiven Elektrode, während das der negativen Elektrode sinkt, was zu einem Anstieg der Batteriespannung (positives Elektrodenpotenzial minus negatives Elektrodenpotenzial) führt, bis die Ladeschlussspannung erreicht ist.
Während der Entladung, wenn die Batterie an eine externe Last angeschlossen ist, deinterkalieren Lithiumionen aufgrund des Potenzialunterschieds zwischen der positiven und der negativen Elektrode von der negativen Elektrode. Sie fließen dann durch den Elektrolyten und den Separator und lagern sich in der positiven Elektrode ein. Da das Potenzial der negativen Elektrode aufgrund der Deinterkalation der Lithiumionen allmählich ansteigt und das Potenzial der positiven Elektrode abnimmt, sinkt die Batteriespannung, bis die Entladeschlussspannung erreicht ist. Das Funktionsprinzip ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt.
Im Idealfall beeinträchtigen die Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen die Struktur des aktiven Materials nicht, so dass die Reaktion reversibel ist.

Positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie

Die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie besteht aus dem aktiven Material der positiven Elektrode, Bindemitteln, Leitmitteln und Stromabnehmern. Das aktive Material der positiven Elektrode ist die wichtigste Komponente, da es die Lithium-Ionen liefert, die für den Batteriezyklus benötigt werden. Es nimmt an elektrochemischen Reaktionen teil, interkaliert und deinterkaliert Lithiumionen und leitet Elektronen, um die elektrische Neutralität zu erhalten. Die Leistung und die Kosten des positiven Elektrodenmaterials wirken sich erheblich auf die Gesamtleistung und die Kosten der Batterie aus.

Aktives Material der positiven Elektrode: Die Ausgangsspannung und die verfügbare Kapazität der Batterie bestimmen die Energie, die sie speichern kann. Um die Leistung und Lebensdauer der Batterie zu maximieren, müssen die aktiven Materialien der positiven Elektroden die folgenden Anforderungen erfüllen:
Sie haben ein hohes Redoxpotential, um die Potentialdifferenz zur negativen Elektrode zu erhöhen und die Ausgangsspannung der Batterie zu steigern.
Kann so viele Lithium-Ionen wie möglich einlagern, um die verfügbare Kapazität der Batterie zu bestimmen.
Minimale strukturelle Veränderungen während der Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie zu verbessern.
Geringe Kosten, umweltfreundlich.
Gute chemische Stabilität und thermische Stabilität, keine Reaktion mit dem Elektrolyten.
Zu den gängigen positiven Elektrodenmaterialien gehören Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumeisenphosphat und ternäre positive Elektrodenmaterialien wie Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid.

Negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie

Die negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einem aktiven Material für die negative Elektrode, Bindemitteln, leitfähigen Stoffen und Stromkollektoren. Ähnlich wie das aktive Material der positiven Elektrode muss auch das aktive Material der negativen Elektrode an der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen sowie an der Elektronenleitung teilnehmen und die elektrische Neutralität aufrechterhalten. Wenn die Batterie jedoch zum ersten Mal zusammengebaut wird, enthält die negative Elektrode keine Lithium-Ionen. Ideale aktive Materialien für negative Elektroden müssen die folgenden Anforderungen erfüllen:
Hohe Kapazität für Lithium-Interkalation zur Erhöhung der Batteriekapazität.
Gute Lithiumdiffusion im aktiven Material der negativen Elektrode, um hohen Lade- und Entladeströmen standzuhalten.
Gute Leitfähigkeit zur Vermeidung von Elektrodenpolarisation.
Minimale strukturelle Veränderungen während der Interkalation und Deinterkalation von Lithium.
Geringe Kosten, gute Stabilität, einfache Herstellung, umweltfreundlich.
Seit der kommerziellen Produktion von Sony im Jahr 1990 ist Graphit das am häufigsten verwendete negative Elektrodenmaterial. Graphit hat eine vollständige Schichtkristallstruktur und bietet Vorteile wie niedrige Kosten, hohe strukturelle Stabilität, Ungiftigkeit, gute Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften, wodurch es sich für viele Anwendungen eignet.

Da die Industrie jedoch immer höhere Anforderungen an die Batterieleistung stellt, haben Lithium-Ionen-Batterien mit negativer Elektrode auf Graphitbasis bei der Verwendung in Hochleistungsgeräten Nachteile, wie z. B. geringe Leistung und geringe Sicherheit. In den Bereichen Forschung und Hightech-Produkte ist eine neue Generation von negativen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien entstanden, um die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien zu befriedigen. Im Jahr 2005 führte Sony ein technisch sicheres und kostengünstiges amorphes/nanokristallines negatives Elektrodenmaterial Sn/Co/C mit einer stabilen reversiblen Kapazität von bis zu 450 mA-h/g ein, was die rasche Entwicklung einer Reihe neuer negativer Elektrodenmaterialien (Materialien auf Siliziumbasis, Materialien auf Titanbasis, Metalloxide und Sulfide) vorantrieb.

Lithium-Ionen-Batterie-Trennzeichen

Der Separator in Lithium-Ionen-Batterien dient normalerweise zwei Zwecken:

Sie isoliert die positiven und negativen Elektroden der Batterie elektrisch, um interne Kurzschlüsse zu verhindern.
Die Ionenkanäle im Separator lassen die Ionen im Elektrolyten ungehindert passieren und sorgen dafür, dass sich im Inneren der Batterie während der Lade- und Entladezyklen eine normale Stromschleife bildet.
Gängige Abscheidermaterialien sind im Allgemeinen Harze auf Polyolefinbasis. Der Celgard2400-Separator beispielsweise ist eine dreischichtige mikroporöse Membran aus PP (Polypropylen)/PE (Polyethylen)/PP.

Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyt

Die Aufgabe des Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, den Ionentransfer zwischen der positiven und der negativen Elektrode während der elektrochemischen Reaktion zu erleichtern. Aufgrund der hohen Reaktivität der Lithium-Ionen mit der negativen Elektrode werden für den Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien nichtwässrige, nichtprotonische organische Lösungsmittel als Ionenträger verwendet. Der Elektrolyt muss eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, thermische Stabilität, chemische Stabilität und filmbildende Eigenschaften aufweisen und gleichzeitig kostengünstig, einfach herzustellen und umweltfreundlich sein.

Der üblicherweise verwendete Elektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien ist eine Mischung aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) als Lösungsmittel.

Lithium-Ionen-Akku-Gehäuse

Die Hauptfunktion des Gehäuses besteht darin, als Behälter für die Batterie zu fungieren und die inneren Materialien der Batterie zu schützen. Da Lithium-Ionen-Batterien während des Gebrauchs häufig äußerem Druck ausgesetzt sind, muss das Gehäuse die mechanische Festigkeit der Batterie erhöhen, um eine Verformung der inneren Materialien (insbesondere des Separators, der die geringste Steifigkeit aufweist) zu verhindern, was sich auf die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie auswirkt. Als Gehäusematerial für Lithium-Ionen-Batterien wird in der Regel hochwertiges Aluminium verwendet.

4 Vorteile und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien

Vorteile:

Hohe Betriebsspannung: Die Betriebsspannung von Lithium-Ionen-Batterien beträgt bis zu 3,6 V und ist damit dreimal so hoch wie die von Nickel-Chrom- und Nickel-Metallhydrid-Batterien und doppelt so hoch wie die von Blei-Säure-Batterien.

Hohe Energiedichte: Aufgrund der hohen Betriebsspannung und der geringen Lithiumdichte haben Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Massenenergiedichte (200Wh/kg) und volumetrische Energiedichte (350Wh/L), die dreimal so hoch ist wie die von Blei-Säure-Batterien (50-70Wh/kg).

Niedrige Selbstentladungsrate: Der Kapazitätsabfall, der durch spontane Reaktionen im Inneren von Lithium-Ionen-Batterien verursacht wird, wenn keine externe Last anliegt, ist relativ gering.

Lange Zyklusdauer: Lithium-Ionen-Batterien, die in praktischen Anwendungen eingesetzt werden, können mehr als 1000 Mal geladen und entladen werden.

Kein Memory-Effekt: Die Kapazität des Akkus verringert sich nicht durch unvollständige Entladung vor dem Aufladen.

Großer Betriebstemperaturbereich: -20°C bis 60°C.

Benachteiligungen:

Hohe Kosten: Lithium-Ionen-Batterien sind 3-4 Mal teurer als Blei-Säure-Batterien mit derselben Kapazität.

Schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen: Die Verwendung organischer Lösungsmittel als Elektrolyte schränkt die Leistung bei niedrigen Temperaturen ein, und die Aufladung bei niedrigen Temperaturen kann ein zusätzliches Überpotenzial an der negativen Elektrode verursachen, was zu Lithiumplattierung führt und die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie beeinträchtigt.

Schlechte Überladungsleistung: Das Überschreiten einer bestimmten Ladespannung kann zur Zersetzung des Elektrolyten und der aktiven Elektrodenmaterialien führen, da die thermische Stabilität zu wünschen übrig lässt und eine große Wärmemenge freigesetzt wird, was die Sicherheit der Batterie beeinträchtigt.

Schlechte Sicherheit: Eine hohe Energiedichte kann dazu führen, dass im Falle eines Ausfalls schnell eine große Menge Energie freigesetzt wird, was die Gefahr von Explosionen und anderen schweren Sicherheitsunfällen birgt.

5. die Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batterien

Klassifizierung nach Verpackungsform: Lithium-Ionen-Batterien werden nach ihrer Verpackungsform in zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen unterteilt. Die Verpackungsform der Batterie steht in engem Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren und der Produktleistung.

Klassifizierung nach dem Material der positiven Elektrode: Lithium-Ionen-Batterien werden auf der Grundlage verschiedener positiver Elektrodenmaterialien in Lithium-Kobalt-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Eisen-Phosphat und ternäre Lithium-Ionen-Batterien unterteilt. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen positiven Elektrodenmaterialien werden verglichen.

Klassifizierung nach Anwendung: Lithium-Ionen-Batterien werden je nach Anwendungsszenario und Anforderungen an Leistung und Energiedichte in Energie-, Leistungs- und Power-Typ-Batterien unterteilt.

6.Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen-Batterien

Die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien ist das Ergebnis der kombinierten Auswirkungen von Zyklusalterung und Kalenderalterung (Langzeitlagerung), was sie zu einem äußerst komplexen und langfristigen Prozess macht. Verschiedene Arten interner physikalischer und chemischer Prozesse tragen zur Batteriealterung bei, darunter die Bildung der Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI-Membran) und die Lithiumplattierung.

SEI-Wachstum bei Lithium-Ionen-Batterien

Während des anfänglichen Ladevorgangs (Bildung) der Batterie werden etwa 10% des Lithiums an der Grenzfläche zwischen der negativen Elektrode und dem Separator verbraucht, um die anfängliche SEI-Membran zu bilden. Während des gesamten Lebenszyklus der Batterie durchläuft die SEI-Membran einen zyklischen Prozess der Bildung, des Wachstums, der Zersetzung und der Regeneration. Die SEI-Membran ist ein Produkt verschiedener Reaktionen zwischen Lithium-Ionen und Komponenten im Elektrolyten, was zu einer Verringerung des reversiblen Lithiums und folglich zu einer Verringerung der Kapazität der Batterie führt.

Lithiumplattierung in Lithium-Ionen-Batterien

Wenn das Lithiumpotenzial an der negativen Elektrode unter 0 V fällt, lagern sich einige Lithiumionen bei niedrigen Temperaturen, hohen Ladegeschwindigkeiten und Überladung weiterhin in die Graphitelektrode ein, während sich andere auf der Oberfläche der Graphitelektrode in Form von metallischem Lithium ablagern, ein Phänomen, das als Lithiumplating bekannt ist. Dies verringert nicht nur die Menge an reversiblem Lithium, sondern führt auch zum Wachstum von Dendriten, die in den Separator eindringen können und schwere Sicherheitsrisiken wie interne Kurzschlüsse verursachen.

7.Sicherheitsmängel von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien als Hochenergiespeicher bergen aufgrund von Material- und Konstruktionsfehlern bei der Herstellung naturgemäß gewisse Risiken. Auch die Arbeitsumgebung von Batterien ist sehr komplex. Neben häufigen Kollisionen, Vibrationen und Stößen setzt das Batteriesystem während des Betriebs auch eine beträchtliche Menge an Wärme frei, was alles zu Sicherheitsrisiken führen kann. Zu den Fehlermöglichkeiten der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gehören interne Kurzschlüsse, externe Kurzschlüsse, Überladung/Überentladung und andere.

Interner Kurzschluss von Lithium-Ionen-Batterien

Ein interner Kurzschluss der Batterie ist ein Phänomen, bei dem die positiven und negativen Elektrodenmaterialien eine elektrische Verbindung innerhalb der Batterie bilden. Dies führt zu einer Entladung aufgrund des Potenzialunterschieds und geht mit einer erheblichen Wärmeabgabe einher. Bei einem internen Kurzschluss in einer Batterie wird in kurzer Zeit eine große Energiemenge freigesetzt, was zu einer raschen Erwärmung der Batterie und in extremen Fällen zu Batterieexplosionen führen kann.

Externer Kurzschluss von Lithium-Ionen-Batterien

Im Gegensatz zu internen Kurzschlüssen tritt ein externer Kurzschluss der Batterie auf, wenn die positiven und negativen Elektroden direkt eine elektrische Verbindung außerhalb der Batterie herstellen. Die Batterie entlädt sich über einen minimalen Widerstand, wodurch die in der Batterie gespeicherte chemische Energie als Wärmeenergie freigesetzt wird. Dies führt zu einer schnellen Erwärmung der Batterie, obwohl die Spitzentemperatur im Vergleich zu internen Kurzschlüssen niedriger ist. Externe Kurzschlüsse werden in der Regel durch Verformung aufgrund von Kollisionen, Eintauchen in Wasser und Verbindungsfehlern im Batteriesystem verursacht.

Überladung/Überentladung von Lithium-Ionen-Batterien

Überladung (Überentladung) bezieht sich auf das fortgesetzte Laden (Entladen) einer Batterie, nachdem sie vollständig geladen (entladen) wurde. Sowohl schnelles Aufladen (Entladen) als auch schnelles Aufladen (Entladen) in den späteren Phasen kann zu Überladung (Überentladung) führen. Eine leichte Überladung (Überentladung) kann nur zu einer leichten Verringerung der verfügbaren Kapazität der Batterie führen, aber eine längere Überladung (Überentladung) kann die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen.

8. Sicherheitshinweise für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien stellen bei normalem Gebrauch keine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Unsachgemäße Handhabung bei der Entsorgung, wie z. B. nicht ordnungsgemäßes Entladen, Zerlegen, Zerkleinern und Sortieren, kann jedoch zu Umweltschäden führen, die sich auf umliegende Organismen und Menschen auswirken.

Materialien wie Kobalt in den aktiven Materialien von Lithium-Ionen-Batterien, Lithiumhexafluorophosphat im Elektrolyten und Polyethylen im Separator können die Umwelt mit organischen Stoffen belasten. Bei der Entsorgung müssen diese Materialien zunächst in einen leeren Zustand entladen werden. Anschließend sollten die Kunststoff- und Eisengehäuse demontiert und recycelt werden. Die Elektrodenmaterialien sollten einer Laugen- und Säurelaugung unterzogen und anschließend extrahiert werden. Elektrolyte, Elektrodenflüssigkeiten und einige Umwandlungs- und Hydrolyseprodukte (Lithiumhexafluorophosphat, Fluorwasserstoff, Methanol, Ameisensäure usw.) müssen zur ordnungsgemäßen Entsorgung an qualifizierte Einrichtungen geschickt werden und können nicht einfach weggeworfen werden. Das Recycling der wichtigsten Elektrodenmaterialien verringert nicht nur die Umweltverschmutzung, sondern auch die Abhängigkeit von Ressourcen wie Lithium und Kobalt, was von großer sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung ist.

Lithium-Ionen-Batterien erreichen in der Regel das Ende ihrer Lebensdauer, wenn ihre Kapazität auf 80% sinkt. Ihre direkte Verschrottung würde jedoch zu einer erheblichen Ressourcenverschwendung führen. Sie können durch Kaskadennutzung in mehreren Anwendungsszenarien genutzt werden. Nachdem sie das Werk verlassen haben, können die Batterien zunächst in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Nach Ablauf eines Lebenszyklus können sie in Energiespeichersystemen mit geringem Leistungsbedarf eingesetzt werden. Dieser Ansatz verlängert nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern senkt auch ihre Kosten.

9.Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien

Automobilsektor

Als Reaktion auf die nationale Dual-Carbon-Politik und die Notwendigkeit, Energieknappheit und Umweltverschmutzung zu bekämpfen, muss die Automobilindustrie von Benzinfahrzeugen auf Elektrofahrzeuge umsteigen. Lithium-Ionen-Batterien mit ihrer hohen Energiedichte, ihrer hohen Betriebsspannung und ihrer langen Lebensdauer sind in Elektroautos und Elektrobussen weit verbreitet, insbesondere Lithium-Eisenphosphat-Batterien und ternäre Systembatterien.

Sektor Energiespeicherung im Netz

Um die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen (Kohle, Erdöl, Erdgas) weiter zu verringern und erneuerbare Energiequellen (Wind, Sonne usw.) zu fördern, hat die Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen große Beachtung gefunden. Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen unterliegt jedoch gewissen Schwankungen und Unterbrechungen, die eine direkte Übertragung ins Netz unpraktisch machen und zu Netzinstabilität führen. Daher werden Energiespeicherbatterien benötigt, um einen Teil der umgewandelten elektrischen Energie zu speichern. Sie können während der Spitzenlastzeiten Energie in das Netz einspeisen und so die Netzfrequenz regulieren und Spitzenlasten abfangen. Für Energiespeicherbatterien gibt es keine direkten Anforderungen an die Energiedichte, aber verschiedene Energiespeicherszenarien (Frequenzregelung, Spitzenlastausgleich) stellen Anforderungen an die Leistungsdichte der Batterien. Lithium-Ionen-Batterien mit langer Lebensdauer und hoher Energieumwandlungseffizienz können diese Anforderungen erfüllen.

Sektor Tragbare elektronische Geräte

In den letzten Jahren ist mit dem Aufkommen von Technologien wie dem Internet, dem Internet der Dinge (IoT) und Big Data eine steigende Zahl elektronischer Geräte entstanden, die das Leben der Menschen bequemer machen. Lithium-Ionen-Batterien finden sich in verschiedenen elektronischen Geräten wie Smartphones, MP3-Playern, MP4-Playern, Kameras, Fernbedienungen, Kinderspielzeug usw.

10. Trends in der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien

In China, der aktivsten Region bei der weltweiten Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, wächst der Markt für Lithium-Ionen-Batterien von Jahr zu Jahr. Neue Energiefahrzeuge sind der größte Motor für das schnelle Wachstum von Lithium-Ionen-Batterien. Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt für Energiespeicher ebenfalls zunehmen wird. Neben der Deckung der Inlandsnachfrage werden Lithium-Ionen-Batterien auch in großen Mengen nach Europa, Amerika, Australien, Südostasien und in andere Regionen exportiert.

Die Länder weltweit messen der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie große Bedeutung bei. Das japanische Unternehmen Panasonic und das südkoreanische Unternehmen LG Energy Solutions streben als die beiden größten Lithium-Ionen-Batterie-Giganten nach dem chinesischen Unternehmen CATL einen höheren Marktanteil an. Im Mai 2018 veröffentlichte die Europäische Kommission den "Battery Strategy Action Plan", der einen langfristigen Forschungsplan für die Batterietechnologie in den nächsten zehn Jahren mit dem Namen "BATTERY 2030+" vorschlägt. Seine Vision ist es, die Batterien der Zukunft zu erfinden und der europäischen Industrie disruptive Technologien und Wettbewerbsvorteile über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg zu verschaffen. BATTERY 2030+ zielt darauf ab, Batterien mit extrem hoher Leistung, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Erschwinglichkeit zu entwickeln, indem interdisziplinäre Forschungsmethoden und fortschrittliche Technologien wie künstliche Intelligenz, Robotik, Sensoren und intelligente Systeme eingesetzt werden.

Laut der "Energy-Saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap" des Ministeriums für Industrie und Informationstechnologie liegt das Energiedichteziel für Leistungsbatterien im Jahr 2030 bei 500Wh/kg. Derzeit liegt die höchste Energiedichte von ternären NCM-Batterien bei nur 250-300 Wh/kg. Es wird erwartet, dass eine Erhöhung des Nickelanteils in ternären Systemen die Energiedichte weiter verbessern wird, was jedoch auch die Sicherheit beeinträchtigen kann. Die Frage, wie die Energiedichte erhöht werden kann, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen, ist ein wichtiges Thema, das es zu lösen gilt. Schlechte Batterieleistung bei kaltem Wetter war schon immer ein Problem für Lithium-Ionen-Batterien. Die Entwicklung von Allwetterbatterien, die sich an niedrige Temperaturen anpassen können, ist auch eine zukünftige Richtung für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus sollten Anstrengungen unternommen werden, um die Zykluslebensdauer zu verbessern und die Kosten zu senken, was allesamt zu den künftigen Forschungsschwerpunkten gehört.