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Über die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

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Über die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

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3 Der Einfluss der Materialien

Generell ist die thermische Stabilität von Batteriematerialien ein wichtiger Faktor für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien. Dies hängt hauptsächlich mit der thermischen Aktivität der Batteriematerialien zusammen. Wenn die Temperatur der Batterie ansteigt, finden im Inneren der Batterie viele exotherme Reaktionen statt. Wenn die erzeugte Wärme die Wärmeverluste übersteigt, kommt es zum thermischen Kollaps. Zu den wichtigsten exothermen Reaktionen zwischen den Materialien der Lithium-Ionen-Batterie gehören: Zersetzung des SEI-Films; Zersetzung des Elektrolyten; Zersetzung der positiven Elektrode; Reaktion zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten; Reaktion zwischen der negativen Elektrode und dem Klebstoff; Darüber hinaus wird aufgrund des Widerstands in der Batterie während des Gebrauchs eine geringe Menge Wärme erzeugt.

3.1 Material der positiven Elektrode

Das Material der positiven Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien war schon immer der wichtigste limitierende Faktor bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu negativen Elektrodenmaterialien haben positive Elektrodenmaterialien eine geringere Energie- und Leistungsdichte und sind außerdem die Hauptursache für Sicherheitsrisiken in Lithium-Ionen-Batterien. Die Struktur der positiven und negativen Elektrodenmaterialien hat einen entscheidenden Einfluss auf das Einbringen und Entfernen von Lithium-Ionen und damit auf die Lebensdauer der Batterien. Die Verwendung leicht entfernbarer aktiver Materialien führt zu minimalen und reversiblen strukturellen Veränderungen während der Lade-/Entladezyklen, was sich positiv auf die Lebensdauer der Batterien auswirkt.

Unter den Missbrauchsbedingungen in Lithium-Ionen-Batterien kommt es bei steigender Innentemperatur der Batterie an der positiven Elektrode zur Zersetzung der aktiven Substanz und zur Oxidation des Elektrolyten. Diese beiden Reaktionen erzeugen eine große Menge an Wärme, was zu einem weiteren Anstieg der Batterietemperatur führt. Gleichzeitig haben unterschiedliche Delithierungszustände erhebliche Auswirkungen auf die Gitterumwandlung der aktiven Substanz, die Zersetzungstemperatur und die thermische Stabilität der Batterie. Die Suche nach positiven Elektrodenmaterialien mit guter thermischer Stabilität ist der Schlüssel zu Lithium-Ionen-Batterien.

3.2 Negative Elektrodenmaterialien

Das früher verwendete Material für die negative Elektrode war metallisches Lithium, und Batterien, die mit metallischem Lithium als negativer Elektrode bestückt sind, neigen bei mehrfachen Lade- und Entladevorgängen zur Bildung von Lithiumdendriten. Lithiumdendriten können den Separator durchlöchern und Kurzschlüsse, Auslaufen und sogar Explosionen verursachen. Durch die Verwendung von Lithium-Interkalationsverbindungen wird die Bildung von Lithium-Dendriten vermieden und die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessert.

Seit kurzem gibt es drei Arten von Kohlenstoff, die für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien von erheblichem Wert sind und gute Anwendungsmöglichkeiten bieten: hochgraphitierter Kohlenstoff, weicher und harter Kohlenstoff sowie Kohlenstoff-Nanomaterialien. Derzeit werden für die meisten negativen Elektrodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien Graphit verwendet, wobei die theoretische spezifische Kapazität von Graphit nur 372 mAh/g und die volumenspezifische Kapazität nur 800 mAh/cm3 beträgt. Der derzeit entwickelte medizinische Pyrolysekohlenstoff hat zwar eine spezifische Kapazität von 700 mAh/g, seine volumenspezifische Kapazität ist jedoch noch sehr begrenzt.

Aufgrund des Bedarfs an hoher Leistung und hoher Energiedichte haben Metalle und Metallverbindungen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung kleiner Partikel (im Nanomaßstab), einphasiger bis mehrphasiger und dotierter inaktiver Materialien. Negative Elektroden aus Metallen und Legierungen unterliegen während des Zyklus einer erheblichen Volumenveränderung, was zu einer kurzen Lebensdauer führt. Um die Lebensdauer zu verlängern, werden in der Metallurgie annähernde Methoden eingesetzt, um die Zusammensetzung und Mikrostruktur von Legierungsmaterialien zu entwickeln und zu kontrollieren. Jüngste Forschungen zu Nanomaßstäben und Oberflächenbehandlungstechniken haben gezeigt, dass negative Kohlenstoffelektroden, die in Lithium eingebettet sind, bei steigender Temperatur zunächst exotherme Reaktionen mit dem Elektrolyten eingehen.

Unter den gleichen Lade- und Entladebedingungen ist die exotherme Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Elektrolyten und dem in Lithium eingebetteten künstlichen Graphit viel höher als die von in Lithium eingebettetem MCMB, Kohlefaser, Koks usw. Der Abstand zwischen den Kohlenstoffschichten von Graphitmaterialien aus hartem Kohlenstoff und weichem Kohlenstoff beträgt etwa 0,38 nm, 0,34-0,35 nm bzw. 0,335 m. Wenn Lithium in die Kohlenstoffschicht eingebettet ist, beträgt der Zwischenschichtabstand etwa 0,37 nm. Graphitmaterialien haben den kleinsten Zwischenschichtabstand und die größte Verformung während des Einsetzens und Entnehmens von Lithium-Ionen-Batterien. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Lithiumionen in dieser Art von Kohlenstoffschicht ist ebenfalls langsam. Beim Laden und Entladen mit hohen Strömen ist die Polarisierung groß und der Widerstand hoch, was zu einer schlechten Batteriesicherheit führt. Harte Kohlenstoffmaterialien hingegen haben den gegenteiligen Effekt.

Manche sind jedoch auch der Meinung, dass eine Erhöhung des Graphitierungsgrades die Aktivierungsleistung der Lithiumionen-Diffusion verringern kann, was der Diffusion von Lithiumionen förderlich ist. Allerdings verhalten sich harte Kohlenstoffmaterialien aufgrund einer großen Anzahl von Hohlräumen beim Laden und Entladen mit hohen Strömen ähnlich wie metallische negative Lithiumelektroden, und ihre Sicherheit ist nicht gut. Bei der Erforschung neuer Materialien sind lithiierte Übergangsmetallnitride und Übergangsmetallphosphate gute Beispiele. Die weitere Erforschung dieser Materialien könnte der Entwicklung negativer Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien neuen Schwung verleihen.

3.3 Diaphragma und Elektrolyt

Das Diaphragma selbst ist kein guter Leiter für Elektronen, aber es lässt auch Elektrolytionen durch. Darüber hinaus muss das Separatormaterial eine gute chemische und elektrochemische Stabilität sowie gute mechanische Eigenschaften aufweisen und auch bei wiederholten Lade- und Entladevorgängen eine gute Benetzbarkeit des Elektrolyten gewährleisten. Die Grenzflächenkompatibilität zwischen dem Separatormaterial und der Elektrode sowie die Elektrolytretention des Separators haben einen erheblichen Einfluss auf die Lade- und Entladeleistung, die Zyklusleistung und andere Aspekte von Lithium-Ionen-Batterien.

Der Elektrolyt spielt eine Rolle beim Transport von Li+ zwischen den positiven und negativen Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien, und die Kompatibilität zwischen dem Elektrolyt und der Elektrode wirkt sich direkt auf die Leistung der Batterie aus. Die Erforschung und Entwicklung des Elektrolyten ist sehr wichtig für die Leistung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien.

Aus Sicht der Batteriesicherheit ist es erforderlich, dass organische Elektrolyte eine gute thermische Stabilität aufweisen und bei hohen Temperaturen, die durch die Erwärmung der Batterie entstehen, stabil bleiben, damit die gesamte Batterie nicht thermisch durchdreht. Die Auswirkungen organischer Elektrolyte auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich unter drei Aspekten untersucht: Lösungsmittel, Lithium-Elektrolytsalze und Zusatzstoffe. Die grundlegende Lösung für die Sicherheitsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien sollten ionische Flüssigelektrolyte sein.

4 Herstellungsprozess und Sicherheit von Batterien

Der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien lässt sich in den Herstellungsprozess von Flüssig- und Polymer-Lithium-Ionen-Batterien unterteilen. Unabhängig von der Struktur der Lithium-Ionen-Batterie wirken sich die Elektrodenherstellung, die Batteriemontage und andere Herstellungsprozesse auf die Sicherheit der Batterie aus. Die Qualitätskontrolle verschiedener Prozesse wie das Mischen positiver und negativer Elektroden, das Beschichten, Walzen, Schneiden oder Stanzen, die Montage, die Versiegelung des Elektrolyten und die Formierung wirken sich alle auf die Leistung und Sicherheit der Batterie aus.

Die Gleichmäßigkeit der Aufschlämmung bestimmt die Gleichmäßigkeit der Verteilung der aktiven Substanzen auf der Elektrode und wirkt sich somit auf die Sicherheit der Batterie aus. Ist die Feinheit der Aufschlämmung zu groß, kann es während des Ladens und Entladens der Batterie zu erheblichen Veränderungen bei der Ausdehnung und Kontraktion des negativen Elektrodenmaterials kommen, was zur Ausfällung von metallischem Lithium führen kann; eine zu geringe Feinheit der Aufschlämmung kann zu einem übermäßigen Innenwiderstand in der Batterie führen.

Eine zu niedrige Heiztemperatur der Beschichtung oder eine unzureichende Trocknungszeit kann zu einem übermäßigen Innenwiderstand in der Batterie führen. Wenn die Aufheizzeit der Beschichtung zu niedrig oder die Trocknungszeit unzureichend ist, kommt es zu Lösungsmittelrückständen und einer teilweisen Auflösung des Bindemittels, wodurch sich einige aktive Substanzen leicht ablösen können; eine zu hohe Temperatur kann zur Verkohlung des Bindemittels, zur Ablösung aktiver Substanzen und zur Bildung von Kurzschlüssen innerhalb der Batterie führen

5 Sichere Verwendung von Batterien

Der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien wurde viel Aufmerksamkeit gewidmet und steht in engem Zusammenhang mit den zu erwartenden Anwendungen. Bei Lithium-Ionen-Stromversorgungsbatterien wird, unabhängig von der Einzelkapazität, zwangsläufig eine Kombination von Batterien verwendet. Wenn eine präzise Gleichgewichtskontrolle nicht möglich ist, kommt dies einem Missbrauch für eine einzelne Zelle gleich.

Die Anzahl der Batteriezyklen und das Lade- und Entladesystem haben einen erheblichen Einfluss auf die Sicherheit der Batterien. Während des Gebrauchs ist es ratsam, die Überladung oder Entladung einzelner Zellen zu minimieren, insbesondere bei Batterien mit hoher Kapazität. Thermische Störungen können eine Reihe von exothermen Nebenreaktionen auslösen, die letztlich zu Sicherheitsproblemen führen.

Lithium-Ionen-Batterien haben auch ein sehr schlechtes "Alterungsverhalten". Nach einer gewissen Zeit der Lagerung geht ein Teil der Kapazität dauerhaft verloren, selbst wenn sie nicht recycelt werden. Der Grund dafür ist, dass die positiven und negativen Elektroden der Batterie bereits seit dem Verlassen des Werks ihren Erschöpfungsprozess begonnen haben. Die Alterungsgeschwindigkeit ist bei verschiedenen Temperaturen und Batterieständen unterschiedlich. Je höher die Lagertemperatur und je voller die Ladung, desto schneller ist der Kapazitätsverlust der Batterie. Es wird daher nicht empfohlen, Lithium-Ionen-Batterien über einen längeren Zeitraum in einem gesättigten Zustand zu lagern. Versuchen Sie, die Batterien bei niedrigen Temperaturen zu lagern.

6 Zusammenfassung

Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, und Lithium-Ionen-Stromversorgungsbatterien haben sich auf dem Markt durchgesetzt. Derzeit befinden sie sich noch in der Entwicklungsphase und werden verbessert, um für hochfrequente Lade-Entlade-Zyklen, hohe und niedrige Temperaturen, raue Umgebungen und geringe Wartung in industriellen Umgebungen geeignet zu sein. Mit der eingehenden Erforschung von Sicherheitsaspekten wie Batteriesystemen und Batteriematerialien ist es notwendig, von der Entwicklung über die Produktion bis hin zur Nutzung zusammenzuarbeiten, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, unsichere Faktoren zu vermeiden und die gesunde Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zu fördern.