Lithium-Polymer-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien, oft als Li-Ion-Batterien bezeichnet, sind eine Art von sekundären (wiederaufladbaren) Batterien, die aus Zellen bestehen, in denen Lithiumionen während der Entladung von der Anode durch einen Elektrolyten zur Kathode und beim Laden zurückbewegen. Eine Lithium-Ionen-Polymer-Batterie (LiPo-Batterie), auch bekannt als Li-Pol, Lithium-Poly und unter anderen Namen, ist eine Art von Li-Ion-Batterie mit einem Polymer-Elektrolyten anstelle eines flüssigen Elektrolyten. Alle LiPo-Batterien verwenden ein hochleitfähiges Gel-Polymer als Elektrolyt. Lithium-Polymer-Zellen haben sich aus Lithium-Ionen- und Lithium-Metall-Batterien entwickelt.
Unterschied zwischen Lithium-Ionen und Li-Pol
Der primäre Unterschied zwischen Lithium-Ionen und Li-Pol besteht darin, dass anstelle eines flüssigen Lithiumsalz-Elektrolyten (wie LiPF6) in einem organischen Lösungsmittel, die Batterie einen festen Polymer-Elektrolyten (SPE) wie Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyvinylidenfluorid (PVdF) verwendet. LiPos bieten höhere spezifische Energien als andere Lithium-Batterien und werden oft in Systemen verwendet, bei denen das Gewicht wichtig ist, wie bei Mobilgeräten, Drohnen und einigen Elektrofahrzeugen.
Komponenten einer Lithium-Polymer-Batterie
Eine typische Lithium-Ionen-Zelle enthält:
Kathode: Die Kathode ist die positive oder oxidierende Elektrode, die Elektronen aus dem externen Schaltkreis aufnimmt und während der elektrochemischen Reaktion reduziert wird. Bei Lithium-Batterien bestehen Kathodenmaterialien im Allgemeinen aus LiCoO2 oder LiMn2O4.
Anode: Die Anode ist die negative oder reduzierende Elektrode, die Elektronen an den externen Schaltkreis abgibt und während der elektrochemischen Reaktion oxidiert wird. Eines der häufigsten Anodenmaterialien, die heute verwendet werden, ist lithiiertes Graphit, LixC6.
Separtor: Ein Separator ist eine durchlässige Membran, die zwischen der Anode und Kathode einer Batterie angebracht wird. Die Hauptfunktion eines Separators besteht darin, die beiden Elektroden voneinander zu trennen, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern und gleichzeitig den Transport von ionischen Ladungsträgern zu ermöglichen.
Elektrolyt: Die Wahl des Elektrolyten in allen Batterien ist entscheidend für Leistung und Sicherheit. Die meisten Elektrolyte, die in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, sind nichtwässrige Lösungen, in denen Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in organischen Carbonaten gelöst ist.
Anwendungen von Lithium-Polymer-Batterien
Die am häufigsten verwendete Li-Ion-Typ in kleinen Verbraucherelektronikgeräten (Laptops-Handys) ist Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) aufgrund seiner hohen spezifischen Energie. Tesla Motors verwendet LCO-Zellen in ihren Elektrofahrzeugen (EVs) kombiniert mit einem Flüssigkühlsystem. Andererseits erfährt Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4/LFP) keinen thermischen Durchgehen und hat fast keine Feuergefahr, da bei hohen Temperaturen kein Sauerstoff freigesetzt wird.
Arten von Lithium-Ionen-Batterien
Die Kathode besteht aus einem Verbundmaterial (ein interkaliertes Lithiumverbindung) und definiert den Namen der Li-Ion-Batteriezelle. Zu den gängigsten Lithium-Batterien gehören Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2), Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2) – NMC, Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) – LFP und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (LiNiCoAlO2) – NCA.
Vor- und Nachteile von Lithium-Polymer-Batterien
Vorteile:
Hohe Betriebsspannung von 3-5 Volt je nach spezifischer Chemie.
Hohe Energiedichte, was Lithium-Ionen-Batterien leicht und kompakt macht.
Kein Memory-Effekt.
Geringe Selbstentladungsrate.
Nachteile:
Höherer Preis im Vergleich zu anderen Batterietypen.
Erfordert ein elektronisches Batteriemanagementsystem.
Alterung und Lebensdauerabhängigkeit von der Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen.