Das Wesen einer Batterie ist ein „Bewegungsspiel“.
Lithium-{0}}Ionenbatterien können je nach Betrachtungsweise entweder als komplex oder einfach beschrieben werden.
Im Kern ist das Konzept einfach: Chemische Energie und elektrische Energie werden ineinander umgewandelt, während Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden hin und her pendeln.
Wie Lithium--Ionen-Batterien funktionieren – Chemie-Studienraum (Kein Chemiekonzept für die High School ist unerreichbar!)
Man kann sich Lithium-Ionen als eine Gruppe fleißiger „Macher“ vorstellen. Während des Ladevorgangs gibt eine externe Stromquelle einen Befehl aus, der sie aus der positiven Elektrode treibt; Sie wandern durch den Elektrolyten und den Separator, um sich an der negativen Elektrode festzusetzen. Beim Entladen kehrt sich der Vorgang um und diese „Mover“ wandern von der negativen zur positiven Elektrode zurück.
Da Lithium-Ionen ständig zwischen den positiven und negativen Elektroden hin- und herschaukeln, haben Wissenschaftler Lithium-Ionen-Batterien einen anschaulichen Spitznamen gegeben: „Schaukelstuhl-Batterien“.
Diese Hin-{0}}und-Bewegung birgt das gesamte Geheimnis hinter dem Laden und Entladen von Lithium-{2}Ionen-Batterien.
Aufladen: Lithium-Ionen werden zur Speicherung an die negative Elektrode „getrieben“.
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Beim Laden schließen wir den Akku an ein Ladegerät an.
Sobald die externe Stromquelle angeschlossen ist, bewegen sich zunächst Elektronen an der positiven Elektrode; Sie werden durch den äußeren Stromkreis zur negativen Elektrode „geschoben“. Sobald die Elektronen austreten, „springen“ die Lithium-Ionen an der positiven Elektrode heraus, um ihnen zu folgen. Diese positiv geladenen Lithiumionen springen in den Elektrolyten und „schwimmen“ durch die gewundenen, mikroskopisch kleinen Poren des Separators bis zur negativen Elektrode.
Beim Erreichen der negativen Elektrode können die Lithium-Ionen nicht einfach sofort „einziehen“. Die Oberfläche der negativen Elektrode ist mit einer unsichtbaren Schicht bedeckt, die als SEI-Film (Solid Electrolyte Interphase) bekannt ist. Dieser Film ist einzigartig: Er lässt Lithiumionen durch, blockiert aber Elektronen. Die Lithiumionen müssen diesen Film zunächst durchdringen, bevor sie einen geeigneten Ort finden, an dem sie sich im Material der negativen Elektrode „festsetzen“ können.
Mit fortschreitendem Ladevorgang lagern sich immer mehr Lithium-Ionen in der negativen Elektrode ein. Je mehr Lithium in der negativen Elektrode eingebettet ist, desto höher ist die Kapazität der Batterie. Gleichzeitig sinkt das Potenzial der negativen Elektrode allmählich, während das der positiven Elektrode ansteigt, wodurch die Gesamtspannung der Batterie langsam ansteigt. Sobald die meisten Lithiumionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode gewandert sind, ist der Ladevorgang abgeschlossen.
Entladen: Lithium-Ionen „laufen zurück“, um zur Arbeit zu gelangen
Einführung in Leistungsbatteriesysteme (Teil I): Materialzusammensetzung und Lade-/Entladeprozesse von Lithium--Ionenbatterien – CSDN-Blog
Beim Entladen handelt es sich um den Vorgang, bei dem die Batterie im Alltag genutzt wird. {{0}Das Aufleuchten des Bildschirms eines Mobiltelefons oder das Antreiben eines Elektrofahrzeugs hängt ausschließlich von diesem Schritt ab.
Beim Entladen lösen sich die in der negativen Elektrode eingebetteten Lithium-Ionen und bewegen sich nach außen. Da Lithiumionen eine positive Ladung tragen, führt ihr Austritt dazu, dass die negative Elektrode positive Ladung verliert; Um die elektrische Neutralität aufrechtzuerhalten, muss die negative Elektrode gleichzeitig Elektronen verlieren. Allerdings können Elektronen nicht durch das Innere der Batterie wandern-Der Separator lässt Lithiumionen passieren, blockiert aber Elektronen.
Deshalb müssen die Elektronen einen anderen Weg nehmen: Von der negativen Elektrode aus wandern sie durch den äußeren Stromkreis bis zur positiven Elektrode.
Die Reise der Elektronen durch den externen Stromkreis dient nicht nur der Veranschaulichung,-sie verrichten unterwegs Arbeit. Die Energie, die diese Elektronen bei ihrer „Arbeit“ während ihres Transports freisetzen, treibt den Bildschirm des Mobiltelefons an oder treibt den Motor des Elektrofahrzeugs an.
Und was ist mit den Lithium-Ionen? Sie „springen“ von der negativen Elektrode in den Elektrolyten, „schwimmen“ über den Separator und kehren zur positiven Elektrode zurück. Bei ihrer Ankunft treffen sie auf die Elektronen, die über den externen Stromkreis gewandert sind, und die beiden rekombinieren.
Je mehr Lithiumionen zur positiven Elektrode zurückkehren, desto größer ist die Entladekapazität der Batterie. Dabei steigt das Potenzial der negativen Elektrode, während das der positiven Elektrode sinkt, wodurch die Batteriespannung allmählich abnimmt.
Elektronen und Lithiumionen: Unterschiedliche Rollen, beide essentiell
Mittlerweile haben Sie wahrscheinlich erkannt, dass der Betrieb einer Lithium-{0}}-Ionen-Batterie auf der Arbeitsteilung und Zusammenarbeit zwischen Elektronen und Lithium-Ionen beruht.
Lithium-Ionen pendeln innerhalb der Batterie hin und her-bewegen sich beim Laden zur negativen Elektrode und beim Entladen zur positiven Elektrode. Elektronen wandern durch den externen Stromkreis-, werden beim Laden von der positiven zur negativen Elektrode gedrückt und fließen von der negativen zur positiven Elektrode, um beim Entladen Arbeit zu verrichten.
Sie haben die gleiche Richtung und das gleiche Ziel, reisen aber auf unterschiedlichen Wegen. Lithium-Ionen nehmen den „Wasserweg“ (Elektrolyt und Separator), während Elektronen den „Landweg“ (äußerer Kreislauf) nehmen. Genau diese Arbeitsteilung ermöglicht es der Batterie, Energie sowohl zu speichern als auch abzugeben. Warum können wir nicht einfach Hochstrom-Schnellladen nutzen?
Heutzutage wünscht sich jeder ein schnelles Aufladen{0}}Denken Sie an Smartphones, die „fünf Minuten Ladezeit für zwei Stunden Sprechzeit“ bieten, oder Elektrofahrzeuge, die „zehn Minuten Ladezeit für Hunderte Kilometer Reichweite“ versprechen. Allerdings lassen sich Lithium-Ionen-Akkus nicht einfach beliebig schnell aufladen.
Das größte mit Hochstrom-Schnellladen verbundene Risiko ist die „Lithiumbeschichtung“ an der negativen Elektrode (Anode).
Was bedeutet das? Während des Ladevorgangs wandern Lithiumionen von der positiven Elektrode (Kathode) zur negativen Elektrode, passieren die SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) und finden einen Platz, an dem sie sich im Material der negativen Elektrode „festsetzen“ können. Dieser Prozess ist von Natur aus schwierig: Die Ionen müssen den Elektrolyten durchqueren, durch die winzigen Poren des Separators gelangen, die SEI-Schicht durchqueren und schließlich eine geeignete Stelle innerhalb des negativen Elektrodenmaterials finden.
Ist der Ladestrom zu hoch, dringen Lithium-Ionen zu schnell ein, um an der negativen Elektrode ein geeignetes „Bett“ zu finden. Ionen, die es nicht rechtzeitig schaffen, sich einzubetten, häufen sich einfach auf der Oberfläche der negativen Elektrode und bilden eine Schicht aus grauem, metallischem Lithium.
Diskussion über den Bildungsmechanismus und die Prävention von Lithiumdendriten – Lithiumbatterien – Batterie China
Diese Schicht aus metallischem Lithium kann zu baumartigen Kristallen wachsen, die als „Lithiumdendriten“ bekannt sind. Lithiumdendriten sind gefährlich; Sie können den Separator durchstoßen, was zu einem direkten Kontakt zwischen der positiven und negativen Elektrode und einem internen Kurzschluss führen kann. Ein Kurzschluss führt zu einem Anstieg der Batterietemperatur; Der Separator schmilzt und schrumpft bei großer Hitze, was möglicherweise zu einem Brand oder sogar einer Explosion führen kann.
Daher kann man den Ladestrom nicht einfach beliebig erhöhen. Faktoren wie die Diffusionsgeschwindigkeit des negativen Elektrodenmaterials, die Konzentration des Elektrolyten und die Porosität des Separators begrenzen die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen wandern. Der langsamste Schritt wird zum Engpass, und dieser Engpass befindet sich normalerweise an der negativen Elektrode.
Wo ist die „Achillesferse“ einer Batterie?
Sobald Sie die zugrunde liegenden Prinzipien verstanden haben, werden Sie erkennen, dass viele Probleme mit Lithium--Ionen-Batterien auf diesen Prozess des „Umzugs“ zurückzuführen sind:
Kapazitätsverlust: Da die positiven und negativen Elektrodenmaterialien im Laufe der Zeit immer wieder Lithiumionen „beherbergen“, können ihre Strukturen zusammenbrechen und die Leitungswege können blockiert werden, sodass weniger „Betten“ zur Aufnahme der Ionen zur Verfügung stehen.
Leistungsverlust bei niedrigen Temperaturen: Wenn die Temperatur sinkt, wird der Elektrolyt zähflüssiger, wodurch es für Lithium-Ionen schwieriger wird, durch ihn zu „schwimmen“.
Schnelles Laden schadet dem Akku: Hohe Ströme verhindern, dass Lithium-Ionen schnell genug „einchecken“, wodurch sie sich an der Oberfläche ansammeln und eine Lithium-Plattierung bilden. Die SEI-Schicht ist ein zweischneidiges Schwert: Während sie die Anode vor der Verschlechterung durch den Elektrolyten schützt, verbraucht ihre Bildung einen Teil der Lithiumionen, was zu einem Kapazitätsverlust während des anfänglichen Ladevorgangs führt.
Letztlich geht es bei der Lithium-{0}}Ionen-Batterietechnologie darum, ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Sicherheit sowie zwischen Kapazität und Lebensdauer zu finden. Beim Schnellladen besteht die Gefahr einer Lithium-Plattierung; Um die Kapazität zu maximieren, müssen mehr Lithiumionen untergebracht werden, eine Überfüllung kann jedoch die strukturelle Stabilität beeinträchtigen.
Ein paar Gedanken
Lithium-Ionen-Batterien begleiten uns schon seit Jahrzehnten und versorgen alles von Mobiltelefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen mit Strom von wenigen Wattstunden bis hin zu Hunderten von Kilowattstunden. Das Grundprinzip bleibt jedoch unverändert: Lithiumionen pendeln zwischen Kathode und Anode hin und her, während Elektronen über den externen Stromkreis Arbeit verrichten.
Was sich wirklich weiterentwickelt hat, sind die Kathoden- und Anodenmaterialien, Elektrolytformulierungen und SEI-Schichtkontrolltechnologien-, die alle darauf abzielen, den Lithium--Ionen-„Shuttle“ schneller, stabiler und sicherer zu machen.
Quelle: Internet
Herausgeber: Xiao Ai
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