Was ist eine Lithium-Batterie?

1,Was ist eine Lithium-Batterie?

Eine Lithiumbatterie (Lithiumzelle) ist ein Batterietyp, der Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als negatives Elektrodenmaterial und eine nichtwässrige Elektrolytlösung verwendet. Das Arbeitsprinzip besteht in der kontinuierlichen Einbringung und Entnahme von Lithium-Ionen bei gleichzeitiger Verbindung mit Elektronen. Die Grundstruktur einer Lithiumbatterie besteht aus fünf Teilen: positive Elektrode, negative Elektrode, Separator, Elektrolyt und Gehäuse. Sie hat Vorteile wie hohe spezifische Energie, lange Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit.
Lithiumbatterien können nach Dimensionen wie Batteriestruktur, Anzahl der Verwendungszwecke, äußere Struktur und Elektrodenmaterial klassifiziert werden. Bei der Klassifizierung nach der Anzahl der Verwendungszwecke können sie in primäre Lithiumbatterien und sekundäre Lithiumbatterien unterteilt werden. Zu den gängigen Leistungsparametern von Lithiumbatterien gehören Leerlaufspannung, Betriebsspannung, Nennkapazität, Entladetiefe, Selbstentladungsrate, Batterieenergie und Innenwiderstand. Lithiumbatterien sind in verschiedenen Geräten und Bereichen weit verbreitet, z. B. in tragbaren Geräten, Energiespeichern und industriellen Anwendungen, wobei neue Energiefahrzeuge einen der führenden Trends darstellen.

2, Die Geschichte der Entwicklung von Lithiumbatterien:

Im Jahr 1913 wurde das Konzept der Lithium-Metall-Batterien von dem amerikanischen Chemiker Gilbert N. Lewis vorgeschlagen und weiter erforscht. Aufgrund der hohen Reaktivität von Lithiummetall war es jedoch in Luft und Wasser instabil, so dass elektrochemischen Batterien auf Lithiumbasis bis in die 1960er Jahre nur wenig Aufmerksamkeit zuteil wurde.

Die Ölkrise der 1970er Jahre trieb die Suche nach alternativen Energiequellen voran, und im Militär, in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und in anderen Bereichen entstand ein neuer Bedarf an Energiequellen mit höherer Energiedichte, als sie herkömmliche Batterien bieten konnten.

1958 schlug William S. Harris die Verwendung von zyklischen Estern als Elektrolyte für Lithium-Metall-Batterien vor und gab damit der Erforschung organischer, nichtwässriger Lithium-Batterien eine neue Richtung.

1962 schlugen Chilton Jr. und Cook von der Lockheed Missile and Space Co. auf einer Tagung der Electrochemical Society in Boston die Idee eines "nicht-wässrigen Lithium-Elektrolytsystems" vor, das die Geburtsstunde des Prototyps der Lithiumbatterien markierte, indem reaktives Lithiummetall in die Batteriekonstruktion eingeführt wurde.

In der Zwischenzeit wurden Anstrengungen unternommen, wiederaufladbare Lithiumbatterien zu entwickeln, die auf den erfolgreichen Erfahrungen mit primären Lithiumbatterien aufbauen. 1965 entdeckte der deutsche Chemiker Walter Rüdorff, dass Lithiumionen chemisch in eine Schichtstruktur des Sulfids TiS2 eingebettet werden können, was die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern wie Stanley Whittingham erregte, die nach reversiblen elektrochemischen Lithiumspeichern suchten.

Anfang der 1970er Jahre entwickelten die amerikanische NASA und die japanische Matsushita Electric Industrial Co. eine Primärbatterie mit fluoriertem Graphit als positiver Elektrode und metallischem Lithium, was die erste kommerzielle Nutzung von Lithiumbatterien bedeutete.

Von 1972 bis 1979 führte Stanley Whittingham, damals Forscher bei Exxon, detaillierte Studien durch und bewies, dass geschichtete Metallsulfide (TiS2) Lithium elektrochemisch reversibel speichern können, was zur Entwicklung von wiederaufladbaren Lithiumbatterien aus Einwegbatterien führte. Er baute einen Prototyp einer wiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterie auf der Grundlage dieses Prinzips.

1980 schlug der französische Wissenschaftler Michel Armand erstmals die Idee vor, positive und negative Elektroden mit eingebetteten Lithium-Speichermechanismen zu verwenden, um ein neuartiges sekundäres Lithium-Batteriesystem zu bauen, das als Schaukelstuhlbatterie bekannt ist und bei dem Lithium-Ionen während des Lade- und Entladevorgangs reversibel zwischen der positiven und der negativen Elektrode hin- und herpendeln. Der Begriff "Lithium-Ionen-Batterie" existierte zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht.

1980 schlug John B. Goodenough, damals Professor an der Abteilung für anorganische Chemie der Universität Oxford, vor, lithiumhaltige Metalloxide als positive Elektroden anstelle von lithiumfreien Metallsulfiden zu verwenden, die eine höhere Spannung und chemische Stabilität aufwiesen. Nach umfangreichen Forschungen und Untersuchungen fand er schließlich geschichtetes Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2, Entladespannung: 3,7 V, stabil an Luft), das ein ideales positives Elektrodenmaterial für den Bau des Prototyps einer Lithium-Ionen-Batterie für Schaukelstühle darstellte.

1982 wies Dr. Yazami erstmals nach, dass Graphit Lithium elektrochemisch in Polymerelektrolyten ohne flüssige organische Lösungsmittel reversibel speichern kann, und bestätigte damit die Machbarkeit der Verwendung von Graphitkohlenstoff als negatives Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. In der Folge schlug Professor Akira Yoshino von der Asahi Kasei Corporation 1983 einen Prototyp einer Lithium-Ionen-Batterie vor, die Lithium-Kobalt-Oxid als positive Elektrode und Polyacetylen als negative Elektrode verwendet. Aufgrund der geringen Dichte und Kapazität von Polyacetylen und seiner schlechten chemischen Stabilität begann Professor Akira Yoshino jedoch, nach weiteren Materialien auf Kohlenstoffbasis zu suchen. Dabei entdeckte er bestimmte Kohlenstoffmaterialien mit speziellen Kristallstrukturen (Kohlenstoffnanodrähte, die durch Abscheidung aus der Gasphase gezüchtet wurden), die eine Kointerkalation vermeiden konnten und eine höhere Kapazität aufwiesen. Dieser Forschungsrichtung folgend fand er schließlich Petrolkoks als negative Elektrode und verwendete es zusammen mit Lithiumkobaltoxid als positive Elektrode, um das erste Lithium-Ionen-Batteriemodell der Welt zu konstruieren.

1983 entdeckten M. Thackeray, J. Goodenough und andere, dass Spinellmanganoxid ein hervorragendes positives Elektrodenmaterial mit niedrigen Kosten, Stabilität und ausgezeichneter Leitfähigkeit und Lithium-Ionen-Leitfähigkeit ist. Seine Zersetzungstemperatur ist hoch, und seine Oxidationskapazität ist viel geringer als die von Lithiumkobaltoxid, so dass selbst bei Kurzschlüssen oder Überladung keine Verbrennungs- und Explosionsgefahr besteht.

Im Jahr 1988 brachte die kanadische Moli Energy Corporation die erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie (Li/MoS2) auf den Markt, die in der Industrie große Aufmerksamkeit erregte. Trotz der erfolgreichen Demonstration der prinzipiell reversiblen Lithium-Ionen-Chemie war die Tendenz der negativen Lithium-Metall-Elektroden, bei wiederholten Zyklen dendritische Lithiumablagerungen zu bilden, die zu internen Kurzschlüssen und Bränden oder Explosionen führen, ein großes Problem.

Im Jahr 1989 musste die Moli Energy Corporation aufgrund von Brand- und Explosionsvorfällen ihre Batterieprodukte in großem Umfang zurückrufen. In der Folge beschlossen auch andere Batteriegiganten wie Sony, Sanyo und Panasonic, ihre Forschung und Entwicklung von sekundären Lithium-Metall-Batterien einzustellen, was der Vermarktung von sekundären Lithium-Metall-Batterien ein jähes Ende setzte.

In den folgenden Jahren konzentrierte sich Professor Akira Yoshino in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Sony Corporation auf die Entwicklung kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien. Im Juni 1991 stellte die Sony Corporation die erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie vor (positive Elektrode: Lithiumkobaltoxid, negative Elektrode: Petrolkoks, Elektrolyt: LiPF6-PC) vor und läutete damit die Ära der Lithium-Ionen-Batterien ein.

1996 entdeckten Padhi und Goodenough Phosphate mit Olivinstruktur, wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), die sicherer sind als herkömmliche positive Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, besonders widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen und Überladung, und die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batteriematerialien weit übertreffen. Daher haben sie sich zu den wichtigsten positiven Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Entladungsleistung entwickelt.

In den 1990er Jahren wurden Lithium-Ionen-Batterien für persönliche Geräte wie Mobiltelefone und Laptops eingeführt. Zunächst wurden sie von der Mobiltelefonindustrie verwendet, später fanden sie breite Anwendung in tragbaren Lautsprechern, Laptops und anderen Geräten.

Im Jahr 1998 begann das Tianjin Institute of Power Sources in China mit der kommerziellen Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Herkömmlicherweise werden Lithium-Ionen-Batterien auch als Lithium-Batterien bezeichnet, aber diese beiden Batterietypen sind unterschiedlich. Lithium-Ionen-Batterien haben sich durchgesetzt.

Nach 2006 führte die ET-Revolution (Environment & Energy) zu einem sprunghaften Anstieg der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, und Lithium-Ionen-Batterien mit einer für Kfz-Sekundärbatterien geeigneten Leistung, z. B. hoher Spannung und großer Energiedichte, wurden auch für Elektrofahrzeuge verwendet. In der Folgezeit wurden Lithium-Ionen-Batterien immer weiter entwickelt und fanden in verschiedenen Gebrauchsgegenständen breite Anwendung, die bis heute florieren.

Im Oktober 2018 hat das Team von Professor Liang Jiajie und Professor Chen Yongsheng von der Nankai University in China in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Lai Chao von der Jiangsu Normal University erfolgreich einen dreidimensionalen porösen Träger mit mehreren Ebenen aus Silbernanodrähten und Graphen hergestellt, der metallisches Lithium als negatives Elektrodenmaterial enthält. Dieser Träger kann das Wachstum von Lithiumdendriten unterdrücken, wodurch eine ultraschnelle Aufladung von Batterien erreicht und die "Lebensdauer" von Lithiumbatterien erheblich verlängert wird.

Im Jahr 2020 entwickelten der 80-jährige Chen Liqian, Chinas erster Lithiumbatterie-Experte, und sein Team ein neuartiges Batteriematerial - Lithiumbatterien aus Nano-Silizium, die eine fünfmal höhere Kapazität als herkömmliche Lithiumbatterien haben.

Im November 2021 erfand das Team unter der Leitung von Dr. Wang Zhaoyang, einem Mitglied der National Academy of Inventors in den Vereinigten Staaten, eine Allwetterbatterie, die das Problem der Unverträglichkeit von Lithiumbatterien gegenüber niedrigen Temperaturen lösen kann. Diese Technologie wurde für die Olympischen Winterspiele 2022 in Peking übernommen und wurde zu einer der Kerntechnologien für den Antrieb von Elektrofahrzeugen für die Olympischen Spiele.

Im Jahr 2023 hat das Team von Professor Su Xin vom Advanced Lithium Battery Technology Research Center am Harbin Institute of Technology (Weihai), China, eine neue Technologie entwickelt, die nicht nur die Lebensdauer von Lithiumbatterien um 20% erhöht, sondern auch eine Verringerung der Batteriekapazität von weniger als 20% bei extrem niedrigen Temperaturen von minus 43 Grad Celsius (°C) ermöglicht.

3, Grundlegende Struktur der Lithium-Batterie

Positive Elektrode

Die Arten von positiven Elektrodenmaterialien lassen sich grob in Lithiumkobaltat (LiCoO2), Lithiummanganat (LiMn2O4), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) usw. einteilen. Die Auswahl der positiven Elektrodenmaterialien wirkt sich direkt auf die Leistung von Lithiumbatterien im Betrieb aus. Während des Ladens und Entladens kommt es an der positiven Elektrode zu Einlagerungs- und Ausscheidungsreaktionen von Lithium-Ionen.

Negative Elektrode

Die Materialien für negative Elektroden lassen sich grob in zwei Arten unterteilen: Materialien für negative Elektroden auf Zinn- und Legierungsbasis, die sich noch im Versuchsstadium befinden und in kommerziellen Produkten noch nicht weit verbreitet sind. Die zweite Art sind negative Elektrodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis, in der Regel Graphit, die in der Praxis weit verbreitet sind. Es handelt sich um ein sicheres, ungiftiges Material mit einer langen Lebensdauer. Es hat eine hohe spezifische Kapazität und eine hohe Reversibilität beim Laden und Entladen, wodurch eine gute Stabilität während des Batteriebetriebs gewährleistet wird.

Abscheider

Die Hauptmaterialien des Separators sind Polyethylen (PE), das im Nassverfahren gewonnen wird, und Polypropylen (PP), das im Trockenverfahren gewonnen wird. Er hat die Funktion der Durchlässigkeit und des Schutzes und wird zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordnet. Die Porengröße des Separators sollte sicherstellen, dass Lithiumionen während des Batteriebetriebs normal passieren können, während das Eindringen anderer Substanzen verhindert wird, wodurch das Auftreten interner Kurzschlüsse, die durch direkten Kontakt zwischen den beiden aktiven Elektrodenmaterialien verursacht werden, effektiv vermieden wird. Er kann eine ausreichende Stabilität bei äußeren Kräften wie Einstichen und Dehnungen aufrechterhalten.

Elektrolyt

Der Elektrolyt besteht hauptsächlich aus Lithiumsalz, organischem Lösungsmittel und den erforderlichen Zusatzstoffen. Er sorgt für eine bessere Übertragung der Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode und erhält die Festigkeit der Batterie im Dauerbetrieb. Bei hohen oder niedrigen Temperaturen bestimmt der Elektrolyt von Lithiumbatterien im Wesentlichen die Lebensdauer und die Sicherheitsleistung der Batterie.

Gehäuse

Das Gehäuse schützt die internen Materialien der Batterie. Es ist leicht und verfügt über eine Reihe von hochfesten Eigenschaften wie Explosionsschutz, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die die Polarisationsreaktion der Batterie wirksam unterdrücken, die Konsistenz von Lithiumbatterien verbessern und somit die Zyklusdauer erhöhen.

4, Wichtige Materialien der Lithium-Batterie

Material der positiven Elektrode

Die Materialien der positiven Elektroden machen 20%-30% der Produktionskosten von Lithiumbatterien aus und sind ein wichtiger Faktor, der die Leistung von Lithiumbatterien bestimmt. Zu den wichtigsten technischen Verfahren gehören Lithiumkobaltat, Lithiummanganat, Lithiumeisenphosphat, ternäre Materialien usw. Mit dem technologischen Fortschritt sind hochnickelhaltige ternäre Materialien mit Vorteilen bei der Energiedichte und Lithiummanganeisenphosphat mit Sicherheits- und wirtschaftlichen Vorteilen die wichtigsten Entwicklungsrichtungen.

Material der Negativelektrode

Als Träger von Lithiumionen und Elektronen haben negative Elektrodenmaterialien hauptsächlich die Funktion der Energiespeicherung und -abgabe, was sich direkt auf die Energiedichte, die Lebensdauer, die Sicherheit und die Schnellladefähigkeit von Batterien auswirkt. Derzeit ist künstlicher Graphit das wichtigste negative Elektrodenmaterial, das etwa 10%-15% der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien ausmacht.

Elektrolyt

Der Elektrolyt setzt sich aus Lösungsmittel, Lithiumsalz und Elektrolyt zusammen. Die wichtigsten Komponenten sind das Lithiumsalz und die Additive, die etwa 12% bzw. 8% ausmachen. Der Elektrolyt hat einen erheblichen Einfluss auf die umfassende Leistung von Lithiumbatterien, z. B. auf die Hoch- und Tieftemperaturleistung, die Leistungsrate und die Sicherheitsleistung.

Abscheider

Der Separator der Lithiumbatterie ist ein wichtiges Material, das die Leistung, die Sicherheit und die Kosten der Batterie bestimmt. Unter den vier wichtigsten Materialien für Lithium-Ionen-Batterien stehen die Kosten für den Separator nur an zweiter Stelle nach dem Material für die positive Elektrode, etwa 10%-15%, und sind bei einigen High-End-Batterien sogar noch höher. Der Separator befindet sich zwischen der positiven und der negativen Elektrode der Lithiumbatterie. Seine Hauptfunktion besteht darin, die aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden zu trennen, um Kurzschlüsse zu verhindern, die durch den Kontakt zwischen den beiden Elektroden entstehen. Darüber hinaus kann der Separator bei elektrochemischen Reaktionen den notwendigen Elektrolyt aufrechterhalten und einen Kanal für die Ionenbewegung bilden.

5, Technische Parameter der Lithium-Batterie

Leerlaufspannung: Die Leerlaufspannung (OCV) bezieht sich auf die Potenzialdifferenz zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie, wenn kein Strom fließt. Die Leerlaufspannung hängt von Faktoren wie der Aktivität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien, der Elektrolytlösung und der Umgebung ab und nicht von der Größe und dem inneren Aufbau der Batterie. Im Batteriemanagementsystem kann die Leerlaufspannung auch den Ladezustand (SOC) der Batterie vorhersagen, der durch Lade- und Entladeversuche mit konstantem Strom gemessen wird.

Betriebsspannung: Die Betriebsspannung, die auch als Batterieklemmenspannung bezeichnet wird, bezieht sich auf die Potenzialdifferenz zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie, wenn eine Last angeschlossen ist. Während des Entladevorgangs der Batterie ist die Klemmenspannung niedriger als die Leerlaufspannung, während des Ladevorgangs ist sie höher als die Leerlaufspannung. Die Klemmenspannung der Batterie wird auch von der Temperatur und der Entladegeschwindigkeit beeinflusst. Im Allgemeinen steigt die Klemmenspannung umso schneller an, je höher die Temperatur ist; je höher die Entladungsrate ist, desto stärker fällt die Klemmenspannung ab.

Nennkapazität: Die Nennkapazität bezieht sich auf die Mindeststrommenge, die die Batterie unter den vorgesehenen und hergestellten Bedingungen entladen kann.

Entladetiefe (DOD): Die Entladetiefe bezieht sich auf das Ausmaß der Entladung während der Batterieentladung und wird auch als Prozentsatz der Nennkapazität ausgedrückt, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums entladen wird. Die Entladetiefe wird in der Regel in Kombination mit dem Ladezustand (SOC) angegeben, wobei die beiden Angaben miteinander zusammenhängen. Der SOC ist das Verhältnis zwischen der verbleibenden Kapazität der Batterie und der vollständig geladenen Kapazität. Wenn die Batterie die gleiche Menge an Ladung wie die Nennkapazität entlädt, sinkt der SOC auf 0, und der DOD der Batterie beträgt 100%.

Entladerate: Die Entladerate bezieht sich auf den Stromwert, den die Batterie benötigt, um die Nennkapazität innerhalb einer bestimmten Zeit zu entladen. In der gleichen Zeitspanne ist die Entladungsmenge im Allgemeinen eine ganze Zahl oder ein Bruchteil der Nennkapazität der Batterie, und sie ist auch ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Leistungsmerkmale der Batterie. So bedeutet beispielsweise die Entladung einer Batterie mit einer Kapazität von 30Ah bei einer Entladungsrate von 1C, dass die Batterie mit einem Strom von 30 Ampere entladen wird.

Selbstentladungsrate: Die Selbstentladungsrate, auch als Ladeerhaltungskapazität bezeichnet, bezieht sich auf die Fähigkeit der Batterie, ihre Ladung in einem stabilen Zustand zu halten. Die Selbstentladungsrate von Lithiumbatterien hängt von Faktoren wie der Reinheit der Rohstoffe während der Verarbeitung, den Herstellungsverfahren und der Umgebungstemperatur ab. Bei Raumtemperatur beträgt die Selbstentladungsrate von Lithiumbatterien 5%-8%. Wenn die Temperatur höher ist, ist der SOC-Wert der Batterie bei einem bestimmten Selbstentladestrom niedriger. Wenn der Selbstentladestrom höher ist, ist der SOC-Wert der Batterie bei einer gegebenen Temperatur höher, und die Batterie verbraucht mehr Strom, wenn sowohl die Temperatur als auch der Selbstentladestrom hoch sind.

Batterie-Energie: Die Batterieenergie bezieht sich auf die Fähigkeit der Batterie, unter bestimmten Entladebedingungen chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Einheit wird in der Regel in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) angegeben.

Innenwiderstand der Batterie: Der Innenwiderstand der Batterie bezieht sich auf den Widerstand, der auftritt, wenn der Strom während des Lade- und Entladevorgangs durch die Batterie fließt. Der Widerstand ist kein fester Wert; er ändert sich kontinuierlich während des Lade- und Entladevorgangs und ist ein wichtiger Indikator für die Leistungsfähigkeit der Batterie. Der Widerstand ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Beschreibung des Gesundheitszustands der Batterie. Während des Lade- und Entladevorgangs wirkt sich der Innenwiderstand der Batterie auf die Klemmenspannung und die Leerlaufspannung der Lithiumbatterie aus, und auch der Innenwiderstand ändert sich ständig, beeinflusst von Faktoren wie der Elektrolytkonzentration, der Umgebungstemperatur und elektrochemischen Reaktionen. Er wird im Allgemeinen in den ohmschen Widerstand und den Polarisationswiderstand unterteilt. Der ohmsche Widerstand besteht in den Elektroden und dem Elektrolyten der Batterie, was dazu führt, dass die Lithium-Ionen-Batterie nicht vollständig einer idealen Stromquelle entspricht. Der Widerstand, der durch die interne Bewegung der Batterie entsteht, wird als ohmscher Widerstand bezeichnet. Der ohmsche Widerstand ist einer der wichtigsten Parameter von Lithiumbatterien, und seine Größe hängt von Faktoren wie dem Batterietyp, der Batteriestruktur und der Elektrolytkonzentration ab. Während des Lade- und Entladevorgangs von Lithiumbatterien kommt es an den positiven und negativen Elektroden der Batterie zu chemischen Reaktionen, die einen Polarisationswiderstand erzeugen.

6, Arbeitsprinzip der Lithium-Batterie

Das Funktionsprinzip einer Lithiumbatterie ist die kontinuierliche Einbringung und Entnahme von Lithiumionen in Kombination mit Elektronen. Lithium ist am leichtesten zu ionisieren, und der Elektrolyt zwischen Graphit und Metalloxiden wirkt als Schutz. Während des Ladevorgangs lässt der Separator nur Li+ passieren. Die positive Seite der Stromquelle zieht Elektronen und Ionen von den Lithiumatomen in den Metalloxiden an und stößt sie ab, und e - kann nicht durch den Elektrolyten fließen, sondern fließt durch den externen Stromkreis, um die Graphitschicht zu erreichen. Li+ wird aufgrund seiner eigenen Eigenschaften von der negativen Elektrode angezogen und gelangt durch den Separator in den Graphitraum der negativen Elektrode. Wenn alle Lithiumatome die Graphitschicht erreicht haben, ist die Batterie vollständig geladen, Li+ und e - haben sich strukturell vom Oxid der positiven Elektrode gelöst. Während der Entladung möchte Li+ wieder in einen stabilen Zustand als Teil des positiven Elektrodenoxids gebracht werden. Aufgrund dieser Tendenz durchläuft Li+ den Elektrolyten und bewegt sich zurück zur positiven Elektrode, und e - bewegt sich auch in die entgegengesetzte Richtung, um das Ladungsgleichgewicht der positiven Elektrode aufrechtzuerhalten und so Strom von außen zu liefern.

7, Lademethoden für Lithium-Batterien

Es gibt zwei Hauptladeverfahren für Lithiumbatterien, hauptsächlich das Konstantstromladen und das Konstantspannungsladen. Unabhängig davon, ob es sich um Konstantstrom- oder Konstantspannungsladung handelt, kann der Ladevorgang im Wesentlichen in vier Phasen unterteilt werden: Erhaltungsladung (Vorladung mit niedriger Spannung), Konstantstromladung, Konstantspannungsladung und Beendigung des Ladevorgangs.

Erste Stufe: Erhaltungsladung. Die Erhaltungsladung (Wiederaufladung) wird hauptsächlich bei vollständig entladenen Batteriezellen angewendet, d. h. die Erhaltungsladung wird eingesetzt, wenn die Batteriespannung unter 3 V liegt. Der Erhaltungsladestrom beträgt ein Zehntel des Stroms im Konstantstrom-Lademodus, d.h. 0,1C (C ist eine Darstellungsmethode für den Strom in Bezug auf die Nennkapazität der Batterie, z.B. wenn die Kapazität der Batterie 1000 mA-h beträgt, dann entspricht 1C einem Ladestrom von 1000mA).

Zweite Stufe: Konstantstromladung. Wenn die Batteriespannung über den Schwellenwert der Erhaltungsladung ansteigt, wird der Ladestrom erhöht, um eine Konstantstromladung durchzuführen. Im Allgemeinen liegt der Strom beim Konstantstromladen im Bereich von 0,21,0C. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Batteriespannung durch den Konstantstromladevorgang allmählich an. In der Regel wird für eine einzellige Batterie eine Spannung von 3,04,2 V eingestellt.

Dritte Stufe: Laden mit konstanter Spannung. Wenn die Batteriespannung 4,2 V erreicht, endet die Konstantstrom-Ladestufe, und die Konstantspannungs-Ladestufe beginnt. Zu diesem Zeitpunkt hängt die Änderung des Stroms vom Sättigungsgrad des Batteriekerns ab. Im weiteren Verlauf des Ladevorgangs sinkt der Ladestrom allmählich vom Maximalwert ab. Wenn er auf 0,05C sinkt, wird davon ausgegangen, dass der Ladevorgang beendet ist.

Vierte Stufe: Beendigung des Ladevorgangs. Es gibt zwei Hauptmethoden zur Beendigung des Ladevorgangs. Bei der ersten Methode wird der minimale Ladestrom bestimmt oder ein Timer verwendet (oder eine Kombination aus beidem). Die Mindeststrommethode wird zur Überwachung des Ladestroms während der Konstantspannungsladephase verwendet, und der Ladevorgang wird beendet, wenn der Ladestrom auf 0,05C (oder einen Wert im Bereich von 0,02~0,07C) sinkt. Bei der zweiten Methode wird ein Zeitmessverfahren verwendet, bei dem der Startzeitpunkt der Konstantspannungs-Ladestufe als Anfangszeitpunkt gilt und der Ladevorgang nach 2 Stunden Dauerladung beendet wird.

Vollständig entladene Batterien benötigen 2,5 bis 3 Stunden, um die oben genannten vier Ladestufen zu durchlaufen. Wenn nach Abschluss des Ladevorgangs eine Batteriespannung von unter 3,89 V festgestellt wird, wird die Batterie wieder aufgeladen.

8,Hauptklassifizierungen von Lithiumbatterien

Je nach Struktur der Batterie

Lithiumbatterien können aufgrund ihrer Struktur grob in zwei Typen eingeteilt werden: Lithium-Metall-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien.

Der Hauptunterschied zwischen Lithium-Metall-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien liegt in der negativen Elektrode. Bei Lithium-Metall-Batterien besteht die negative Elektrode aus metallischem Lithium, während bei Lithium-Ionen-Batterien Materialien wie Graphit, Silizium und Lithium-Titan-Oxid (allgemein als "Host"-Materialien bekannt) als negative Elektrode verwendet werden. Zu den Lithium-Metall-Batterien gehören Primärbatterien und Sekundärbatterien, wie Knopfzellen und Knopfzellen. Lithium-Metall-Batterien werden häufig in Anwendungen wie Uhren, Taschenrechnern und Kameras eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus einer Reihe von Batterien mit positiven Elektroden aus ternären Materialien und negativen Elektroden aus Materialien wie Graphit, Silizium und Lithium-Titanoxid. Aufgrund der Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit der Ablagerung von Lithium-Dendriten während des Ladevorgangs von Lithium-Metall-Batterien, die Kurzschlüsse und Sicherheitsprobleme verursachen können, werden derzeit verstärkt Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in der Unterhaltungselektronikindustrie eingesetzt, z. B. in Mobiltelefonen und Laptops.

Je nach Nutzungshäufigkeit

Lithiumbatterien werden in Primärbatterien (nicht wiederaufladbar) und Sekundärbatterien (wiederaufladbar) unterteilt, die mehrfach verwendet werden können.

Primärbatterien, die auch als Einwegbatterien bezeichnet werden, können chemische Energie nur einmal in elektrische Energie umwandeln und lassen sich nicht in chemische Energie zurückverwandeln (oder haben eine sehr schlechte Reversibilität). Nicht wiederaufladbare Lithiumbatterien gibt es in verschiedenen Ausführungen. Zu den am häufigsten verwendeten gehören Lithium-Mangandioxid-Batterien, Lithium-Thionylchlorid-Batterien und Lithiumbatterien mit anderen Verbindungen.

Sekundärbatterien, die auch als wiederaufladbare Batterien bezeichnet werden, können elektrische Energie in chemische Energie umwandeln, um sie zu speichern, und sie bei Bedarf wieder in elektrische Energie umwandeln. Wiederaufladbare Lithiumbatterien gibt es in verschiedenen Ausführungen, z. B. Lithium-Vanadiumoxid-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien und im Ausland neu entwickelte Lithium-Polymer-Batterien. Lithium-Ionen-Akkus sind derzeit die am häufigsten verwendeten Akkus in Mobiltelefonen. Sie sollten jedoch während des Gebrauchs nicht überladen oder übermäßig entladen werden, da dies den Akku beschädigen oder unbrauchbar machen kann. Daher sind Lithium-Ionen-Akkus mit Schutzkomponenten oder -schaltungen ausgestattet, um teure Akkuschäden zu vermeiden. Die Anforderungen an das Laden von Lithium-Ionen-Batterien sind hoch, und es muss sichergestellt werden, dass die Genauigkeit der Endspannung innerhalb von 1% liegt. Die großen Hersteller von Halbleiterbauelementen haben verschiedene Lade-ICs für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, um ein sicheres, zuverlässiges und schnelles Aufladen zu gewährleisten.

Entsprechend der externen Struktur

Auf der Grundlage der äußeren Struktur können Batterien in drei Typen eingeteilt werden: Lithium-Batterien mit Beutel, zylindrische Lithium-Batterien und prismatische Lithium-Batterien.

Je nach Elektrodenmaterial

Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP): Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie verwendet Lithium-Eisenphosphat als positives Elektrodenmaterial. Sie ist auch als Lithium-Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterie bekannt und eignet sich aufgrund ihrer Leistung besonders für Stromanwendungen, weshalb sie auch als Lithium-Eisenphosphat-Power-Batterie oder Lithium-Eisen-Power-Batterie bezeichnet wird. Auf dem Markt für Metalle ist Kobalt (Co) am teuersten, aber die Reserven sind begrenzt, während Nickel (Ni) und Mangan (Mn) relativ billig sind und Eisen (Fe) am billigsten ist. Der Preis der positiven Elektrodenmaterialien folgt ebenfalls der Preisentwicklung dieser Metalle. Daher sollten Batterien mit positiven Elektrodenmaterialien am billigsten sein.

Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie (LCO): Die Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie hat eine stabile Struktur, eine hohe spezifische Kapazität und eine hervorragende Gesamtleistung. Sie hat jedoch eine schlechte Sicherheit und hohe Kosten. Sie wird hauptsächlich in kleinen und mittelgroßen Batteriezellen verwendet und ist in kleinen elektronischen Geräten wie Laptops, Mobiltelefonen, MP3/MP4-Playern usw. mit einer Nennspannung von 3,7 V weit verbreitet.

Lithium-Mangan-Oxid-Batterie (LMO): Die Lithium-Mangan-Oxid-Batterie bezieht sich auf Batterien mit Lithium-Mangan-Oxid als positivem Elektrodenmaterial. Die Nennspannung von Lithium-Manganoxid-Batterien liegt zwischen 2,5 V und 4,2 V. Lithiummanganoxid ist ein kostengünstiges, sicheres und für niedrige Temperaturen geeignetes Material für die positive Elektrode, weshalb es weit verbreitet ist. Das Material selbst ist jedoch nicht sehr stabil und neigt dazu, sich zu zersetzen und Gas zu erzeugen. Daher wird es oft mit anderen Materialien gemischt, um die Kosten der Batteriezellen zu senken, was zu einem schnelleren Verfall der Zykluslebensdauer, Aufquellen, schlechter Hochtemperaturleistung und relativ kurzer Lebensdauer führt. Es wird hauptsächlich in großen und mittelgroßen Batteriezellen für Leistungsbatterien mit einer Nennspannung von 3,7 V verwendet.

Ternäre Polymer-Batterie: Die ternäre Polymer-Lithium-Batterie bezieht sich auf Lithium-Batterien mit ternären Materialien wie Nickel-Kobalt-Mangan-Lithium oder Nickel-Kobalt-Aluminium-Lithium als Material der positiven Elektrode. Die Nennspannung dieser Batterie liegt bei 3,7 V, und ihre Kapazität erreicht oder übertrifft sogar die von Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien.

Lithium-Titan-Oxid-Batterie (LTO): Die Lithium-Titanoxid-Batterie ist eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie mit Lithium-Titanoxid als negativem Elektrodenmaterial, das in Kombination mit positiven Elektrodenmaterialien wie Manganoxid, ternären Materialien oder Lithium-Eisenphosphat verwendet werden kann, um Lithium-Ionen-Sekundärbatterien mit einer Spannung von 2,4 V oder 1,9 V zu bilden. Darüber hinaus kann es auch als positive Elektrode verwendet werden, um in Kombination mit metallischem Lithium oder Lithiumlegierungen Lithium-Ionen-Sekundärbatterien mit einer Spannung von 1,5 V zu bilden.

9,Hauptmerkmale von Lithiumbatterien

Vorteile

Hohe Energiedichte: Die Energiedichte bezieht sich auf die Energie pro Massen- oder Volumeneinheit, gemessen in Wh/kg oder Wh/L. Lithiumbatterien haben eine hohe Speicher-Energiedichte, die derzeit 460600 Wh/kg erreicht, was dem 67-fachen von Blei-Säure-Batterien entspricht.

Lange Nutzungsdauer: Die Lebensdauer kann mehr als 6 Jahre betragen. Durch die Verwendung von Lithium-Eisenphosphat als positives Elektrodenmaterial sind Batterien, die bei 1C (100% Entladetiefe, 100% DOD) entladen und wieder aufgeladen werden, nachweislich bis zu 10.000 Zyklen verwendbar.

Hohe Nennspannung: Die Arbeitsspannung pro Zelle beträgt 3,7 V oder 32 V, was in etwa der Serienspannung von 3 oder mehr Nickel-Akkus entspricht und die Bildung von Batterie-Powerpacks erleichtert.

Hohe Strombelastbarkeit: Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, können eine Lade- und Entladekapazität von 15~30C erreichen, was das Anfahren und Beschleunigen mit hoher Intensität ermöglicht.

Niedrige Selbstentladungsrate: Dies ist einer der größten Vorteile dieser Batterien. Lithium-Batterien laden sich schnell auf und erreichen den optimalen Zustand in nur 1~2 Stunden. Darüber hinaus ist Auslaufen selten, und die Selbstentladungsrate liegt im Allgemeinen unter 1% pro Monat, weniger als 1/20 der Nickel-Metallhydrid-Batterien.

Geringes Gewicht: Das Gewicht pro Volumeneinheit beträgt etwa 1/6~1/5 von Blei-Säure-Batterien.

Starke Temperaturanpassungsfähigkeit: Sie können in Umgebungen von -20 bis 60 Grad Celsius eingesetzt werden, und mit der richtigen Verarbeitung können sie sogar in Umgebungen von bis zu -45 Grad Celsius verwendet werden.

Umweltfreundlich: Sie enthalten oder erzeugen keine giftigen Schwermetallelemente und Stoffe wie Blei und Quecksilber während der Produktion, Verwendung oder Entsorgung. Bei der Herstellung wird nur wenig Wasser verbraucht, was erheblich zur Schonung der Wasserressourcen beiträgt.

Kein Memory-Effekt: Lithiumbatterien können teilweise geladen und entladen werden, ohne dass ihre Kapazität abnimmt.

Benachteiligungen

Hohe innere Impedanz: Aufgrund des organischen Lösungsmittelelektrolyts, das in Lithiumbatterien verwendet wird, ist ihre Leitfähigkeit viel geringer als die von Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterieelektrolyten, was zu einer inneren Impedanz führt, die etwa 11 Mal höher ist als die von Nickel-Metallhydrid- und Nickel-Cadmium-Batterien.

Große Spannungsschwankungen während des Betriebs: Bei einer Entladung auf 80% der Nennkapazität ist die Spannungsschwankung von Nickelbatterien minimal (ca. 20%), während Lithiumbatterien eine größere Spannungsschwankung aufweisen (ca. 40%), was ein ernsthafter Nachteil für die Batteriestromversorgung ist. Aufgrund der hohen Entladespannung von Lithiumbatterien kann die verbleibende Kapazität der Batterie jedoch leicht ermittelt werden.

Hohe Kosten: Das Elektrodenmaterial ist relativ teuer.

Strenge Montageanforderungen für Lithiumbatterien: Für die Montage sind Bedingungen mit geringer Luftfeuchtigkeit erforderlich, und die Struktur der Batterie ist komplex und erfordert spezielle Schutzschaltungen, um eine Überladung oder Überentladung der Batterie zu verhindern.

Schlechte Sicherheit: Die Verwendung von organischen Elektrolyten in Lithiumbatterien birgt gewisse Sicherheitsrisiken.

10,Aktuelle Situation und Transportsicherheit von Lithiumbatterien

Aktuelle Situation

Lithiumbatterien haben eine hohe Energiedichte und sind anfällig für Brand- und Explosionsunfälle. Seit ihrer Markteinführung kam es zu zahlreichen Zwischenfällen: Im November 2005 rief Nikon eine Lithium-Ionen-Batterie für Digitalkameras wegen Problemen wie Batterieexplosion, Überhitzung und Schmelzen zurück. Im August 2006 kündigten die Computerhersteller Dell und Apple den Rückruf von Millionen von Lithium-Ionen-Batterien für Laptops aufgrund von Sicherheitsbedenken an. Im Jahr 2016 kam es bei Samsungs Flaggschiff-Smartphone Galaxy Note 7 innerhalb eines Monats nach der Markteinführung zu mehr als dreißig Explosionen und Bränden aufgrund von Akkudefekten, was zur Einstellung des Produkts führte. Am 7. Mai 2017 geriet im Huacheng-Logistikzentrum von Shenzhen ein Lastwagen mit 18650-Lithium-Ionen-Akkus in Brand, der vermutlich durch einen Zusammenstoß der Akkus während des Transports verursacht wurde.

Sicherheit im Verkehr

Die Gefährlichkeit von Lithiumbatterien hängt hauptsächlich vom Lithiumgehalt ab, da Lithium ein reaktives Metall ist, das brennbar ist und heftig mit Wasser reagiert, wobei Wasserstoffgas freigesetzt wird. Eine unsachgemäße Handhabung während des Transports kann zu einer Beschädigung der Batterie führen, die hohe Temperaturen und sogar Verbrennungen und Explosionen zur Folge haben kann. Daher wird der Transportsicherheit von Lithiumbatterien immer mehr Bedeutung beigemessen.

1956 wurde die "Empfehlung über die Beförderung gefährlicher Güter (TDG)" erstmals vom Sachverständigenausschuss für die Beförderung gefährlicher Güter des Wirtschafts- und Sozialrats der Vereinten Nationen veröffentlicht, die maßgebliche Vorschriften für die Sicherheit bei der Beförderung von Batterien enthält und als grundlegende Anforderung für die Sicherheit bei der Beförderung von Batterien dient. Dieser Ausschuss wurde 2001 umstrukturiert und in "Expertenausschuss für die Beförderung gefährlicher Güter und für das global harmonisierte System zur Klassifizierung und Kennzeichnung von Chemikalien" umbenannt.

Im Jahr 2017 veröffentlichte die International Air Transport Association (IATA) die 58. Ausgabe der Gefahrgutvorschriften (DGR), die spezielle Anforderungen für den Transport von Lithiumbatterien enthält.

Im Januar 2017 begann China mit der Umsetzung des von der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation herausgegebenen "International Maritime Dangerous Goods Code" (IMDG) in der Ausgabe 37-14, der sich auch auf Lithiumbatterien bezieht.

Im Jahr 2023 haben die China National Railway Administration, das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie und die China State Railway Group Co., Ltd. die "Guidance on the Railway Transportation of Consumer Lithium Battery Goods" herausgegeben, in der ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass qualifizierte Lithiumbatterieprodukte für Verbraucher während des Bahntransports nicht als Gefahrgut gelten.

11,Schlüsseltechnologien von Lithium-Batterien

Der Produktionsprozess von Lithiumbatterien gliedert sich in drei Hauptphasen, darunter die Elektrodenvorbereitung, die Zellenproduktion und die Batteriemontage. Im Produktionsprozess von Lithiumbatterien ist die Elektrodenvorbereitung die Grundlage für alle Prozesse und die Anfangsphase der Lithiumbatterie-Projekttechnologie. Die Produktion von Lithiumbatteriezellen ist das Herzstück des gesamten Prozesses und der kritischste Teil, während der letzte Schritt die Batteriemontage ist, die einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des fertigen Lithiumbatterieprodukts hat. Der Produktionsprozess von Lithiumbatterien umfasst insbesondere die Beschichtung der positiven Elektroden, die Beschichtung der negativen Elektroden, die Herstellung von Blechen für die positiven Elektroden, die Herstellung von Blechen für die negativen Elektroden, den Zusammenbau des Gehäuses, die Befüllung der Zellen, die Prüfung und die Verpackung.

Kontrolle der Luftfeuchtigkeit: Die Parameter für die Feuchtigkeitsbelastung von Lithiumbatterie-Prozessanlagen müssen innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden, so dass die Produktionsumgebung aus trockener Luft bestehen muss; auch die Dichtungsleistung der Luftzufuhrkanäle und die Einhausung der Produktionshallen sind entscheidende Einflussfaktoren.

Thermisches Pressen von Lithiumbatterien: Der Batterieseparator, das Herzstück der Batterie, spielt eine entscheidende Rolle bei der Isolierung der positiven und negativen Elektroden und ermöglicht den wechselseitigen Durchgang von Lithiumionen zwischen den Elektroden. Die mikroporöse Struktur des Separators ist ein wichtiger Kanal für diese Ionen, die zwischen der positiven und der negativen Elektrode hin- und herpendeln. Seine Gasdurchlässigkeit wirkt sich direkt auf die Leistung der Batterie aus. (Die Gasdurchlässigkeit des Separators bezieht sich auf die Gasmenge, die unter einem bestimmten Druck in einer bestimmten Zeit durch den Separator strömt). Ist die Gasdurchlässigkeit des Separators schlecht, beeinträchtigt dies den Transfer von Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode und wirkt sich somit auf das Laden und Entladen der Lithiumbatterie aus. Bei der Prüfung wird der Batterieseparator fixiert, Druck auf eine Seite des Separators ausgeübt, der Druckabfall und die benötigte Zeit gemessen und die Luftdurchlässigkeit des Separators geprüft. Je kürzer die verwendete Zeit, desto besser ist die Luftdurchlässigkeit.

Leitende Beschichtung: In der Lithiumbatterie-Industrie auch als Vorbeschichtung bekannt, bezieht sie sich in der Regel auf eine leitfähige Beschichtung, die auf die Oberfläche des Stromabnehmers der positiven Elektrode - Aluminiumfolie - aufgebracht wird. Mit einer leitfähigen Beschichtung versehene Aluminiumfolie wird als vorbeschichtete Aluminiumfolie oder einfach als beschichtete Aluminiumfolie bezeichnet. Die ersten Versuche mit Batterien gehen auf die 1970er Jahre zurück, und mit der Entwicklung der neuen Energiewirtschaft, insbesondere dem Aufstieg der Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien, ist sie zu einer beliebten neuen Technologie oder einem neuen Material geworden.

12,Recycling und Richtlinien für Lithiumbatterien

Der Umgang mit defekten Lithium-Ionen-Batterien umfasst hauptsächlich chemische und mechanische Methoden (physikalische Methoden):

Bei der chemischen Aufbereitungsmethode umfasst der typische Prozess das Zerkleinern, die Elektrolytbehandlung, das Rösten, die magnetische Trennung, das Feinmahlen, die Klassifizierung und das Sieben und dann das Schmelzen, um eine hochwertige Kobaltlegierung zu erzeugen, gefolgt von der Nassaufbereitung, um metallisches Kobalt oder Kobaltkarbonat und Lithiumkarbonat zu erzeugen. Das typische Verfahren der mechanischen Methode (physikalische Methode) umfasst Zerkleinern, Elektrolytbehandlung, Wärmebehandlung, Magnetabscheidung, Feinmahlung, gefolgt von Klassifizierung, Siebung und Trennung, um kupferhaltige Abfälle und raffiniertes Kobalt zu erzeugen.

China misst dem Recycling von Energiebatterien für neue Energiefahrzeuge große Bedeutung bei und hat eine Reihe von Vorschriften und Normen für das Batterierecycling eingeführt. Zu diesen Normen und Spezifikationen gehören die "Interim Measures for the Management of Recycling and Utilization of Waste Power Batteries for New Energy Vehicles", die "Industry Standard Conditions for Comprehensive Utilization of Waste Power Batteries for New Energy Vehicles", die "Specification for the Storage and Transportation of Battery Scrap" (GB/T 26493-2011), die "Anforderungen für das Recycling und die Entsorgung von Kommunikations-Ionen-Batterien" (GB/T 22425-2008), der "Code für das Management von Altbatterien" (WB/T 1061-2016), der "Nachweis von Restenergie für das Recycling von Autobatterien" (GB/T 34015-2017) und die "Demontagespezifikation für das Recycling von Autobatterien" (GB/T 33598-2017) usw.

Die 2019 herausgegebenen "Industry Standard Conditions for Comprehensive Utilization of Waste Power Batteries for New Energy Vehicles" (Industriestandardbedingungen für die umfassende Verwertung von Altbatterien für Fahrzeuge mit neuer Energie) enthalten klare Bestimmungen für die umfassende Verwertung von Altbatterien und verpflichten die mit dem Recycling befassten Unternehmen zur Erforschung und Anwendung von Recyclingtechnologien, -ausrüstungen und -verfahren in Bezug auf positive und negative Elektrodenmaterialien, Separatoren, Elektrolyte usw., um das Niveau des Altbatterierecyclings zu verbessern. Bei wichtigen wertvollen Metallen wie Nickel, Kobalt und Mangan sollte die Rückgewinnungsrate mindestens 98% betragen, und die Rückgewinnungsrate von Lithium sollte nicht weniger als 85% betragen. Die umfassende Rückgewinnungsrate anderer wichtiger wertvoller Metalle wie seltener Erden sollte nicht unter 97% liegen. Wenn das Materialreparaturverfahren angewandt wird, sollte die Rückgewinnungsrate nicht weniger als 90% betragen. Die Wiederverwertungsrate von Prozessabwasser sollte über 90% liegen.

13,Anwendungsbereiche von Lithium-Batterien

Transportsektor

Hybrid-Elektrofahrzeuge verwenden hauptsächlich Blei- und Nickel-Wasserstoff-Batterien als Hauptstromquelle und Dutzende von parallel geschalteten elektrochemischen Kondensatoren als Notstromquellen. Mit der Zunahme der elektronischen Steuerschaltungen in Kraftfahrzeugen steigt auch die Nachfrage nach Notstromquellen mit höherer Kapazität. Im Vergleich zu den derzeitigen elektrochemischen Kondensatoren weisen die neuen Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Zuverlässigkeit auf und können den Platzbedarf und das Gewicht erheblich reduzieren, so dass sie nach und nach die herkömmlichen Blei-Säure- und Nickel-Wasserstoff-Batterien ersetzen. Da die Umweltverschmutzung durch Kraftfahrzeuge immer stärker wird, sind außerdem Maßnahmen zur Kontrolle und Minderung von Emissionen, Lärm usw. notwendig geworden, insbesondere in dicht besiedelten und verkehrsreichen Städten. Lithiumbatterien haben aufgrund ihrer schadstofffreien, schadstoffarmen und energiediversifizierten Eigenschaften eine bedeutende Entwicklung in der Elektrofahrzeugindustrie erfahren, die die Umweltbedingungen verbessern kann.

Sektor Elektronik

Aufgrund der hohen volumetrischen Energiedichte von Lithiumbatterien können diese kleiner und leichter gemacht werden und finden daher in tragbaren elektronischen Produkten breite Verwendung. Mit der Popularität von Mobiltelefonen, Digitalkameras, Camcordern, Laptops und tragbaren Spielkonsolen haben Lithiumbatterieprodukte ein schnelles Wachstum beibehalten und den Großteil des Marktanteils besetzt. Mit der Verbesserung der Lade- und Entladeleistung bei hohen Strömen werden Lithiumbatterien auch ihre Anwendungen in drahtlosen Telefonen und Elektrowerkzeugen erweitern.

Sektor Luft- und Raumfahrt

Aufgrund der großen Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien können sie in der Luft- und Raumfahrt die Korrekturen während des Starts und des Flugs sowie am Boden unterstützen und dazu beitragen, die Effizienz von Primärbatterien zu verbessern und den Betrieb bei Nacht zu unterstützen.

Militärischer Sektor

Aufgrund der hohen Energiedichte, des geringen Gewichts und der geringen Größe von Lithium-Ionen-Batterien können sie die Flexibilität von Waffen und Ausrüstung nach der Montage verbessern. Daher werden Lithium-Ionen-Batterien im Bereich der Landesverteidigung und des Militärs in vielen Bereichen eingesetzt, darunter an Land (individuelle Soldatensysteme, Armeefahrzeuge, militärische Kommunikationsausrüstung, Raketen), auf See (Torpedos, Unterwasserroboter), in der Luft (unbemannte Aufklärungsflugzeuge) und im Weltraum (Satelliten).

Sektor Energiespeicherung

Aufgrund der hohen Energiedichte und der langen Lebensdauer von Lithiumbatterien werden diese in großem Umfang zur Energiespeicherung eingesetzt, in der Regel als Energiespeicher für den Schienenverkehr, die photovoltaische Stromerzeugung, intelligente Stromnetze, Notstromversorgung und militärische Stromversorgung, die eng mit der Energiespeichertechnologie verbunden sind. Lithiumbatterien können die intermittierende Natur der Photovoltaik- und Windenergiespeicherung effektiv lösen und bieten starke Garantien für die Langlebigkeit von Elektrofahrzeugen. Die Anwendung von Lithiumbatterien in der Energiespeicherung umfasst Energiespeicheranwendungen auf der Seite der Stromerzeugung wie Solarspeicherkraftwerke und Windspeicherkraftwerke, Energiespeicheranwendungen auf der Nutzerseite wie Ladestationen für Solarspeicher, Energiespeicher für Haushalte und Notstromversorgungen sowie Energiespeicheranwendungen in Umspannwerken, die sich hauptsächlich in der Energiespeicherung in Umspannwerken und virtuellen Kraftwerken widerspiegeln.

14,Die Entwicklungstendenzen von Lithium-Batterien

Anwendungsebene

Die Lithium-Batterie-Industrie ist ein wichtiger Wegbereiter für die weltweite Entwicklung der High-Tech-Industrie. Lithiumbatterien haben eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität, eine hohe Energiedichte, eine hohe spezifische Leistung, einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine lange Lebensdauer, sind schadstofffrei und wartungsfrei, was sie zur Entwicklungsrichtung künftiger Energiebatterien macht. In den meisten Bereichen der Automobilindustrie werden Lithiumbatterien als Hauptstromquelle für Fahrzeuge betrachtet, und wenn sie mit der Fahrzeugleistung kombiniert werden, können sie in Elektrofahrzeuge oder Hybridelektrofahrzeuge umgewandelt werden. Dies wird dazu führen, dass mehr und mehr Fahrzeuge mit neuer Energie in das Leben der Öffentlichkeit treten. Dies entspricht nicht nur den Anforderungen des umweltfreundlichen Reisens und des kohlenstoffarmen Lebens, sondern verringert auch die durch Fahrzeugabgase verursachte Luftverschmutzung und fördert den Fortschritt und die Entwicklung der entsprechenden umweltfreundlichen Automobilindustrie. Darüber hinaus können Lithiumbatterien durch Innovation und die Entwicklung fortschrittlicher Lithiumbatterietechnologien auch in verwandten Technologiebereichen wie dem Militär oder der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. In ähnlicher Weise können Lithiumbatterien auch als Satellitenbatterien für Kleinsatelliten nützlich sein, so dass diese Kleinsatelliten ihre Funktionen erfüllen, das Auftreten von Fehlern verringern und die Lithiumbatterie als Satellitenbatterie für einen langen Zeitraum in der Zukunft sicherstellen können.

Technologische Ebene

Mit der Verbesserung der wissenschaftlichen und technologischen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten Chinas befinden sich neue Technologien für Lithiumbatterien wie Festkörper-Lithiumbatterien, Lithium-Schwefel-Batterien usw. in einer raschen Entwicklungsphase. In Zukunft wird die Reife und Anwendung dieser Technologien die Leistung von Lithiumbatterien weiter verbessern und ihre umfassende Anwendung im Bereich der Energiespeicherung fördern. Durch die Optimierung von Batteriematerialien und Herstellungsverfahren kann beispielsweise die Lebensdauer von Batterien verlängert und die Wartungskosten und die Häufigkeit des Batteriewechsels verringert werden.

Referenzen

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