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Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien: Marketing-Tricks und häufige Fehler

In Artikeln und Kommentaren (in Artikeln, die jedoch viel seltener vorkommen) stoße ich wiederholt auf falsche Daten oder Namen, die später als Argumente angegeben werden, obwohl sie anfangs tatsächlich fehlerhaft sind. Und diese Fehler breiten sich auf alle Ressourcen aus, einschließlich der Giktayms.

Mit diesem Artikel möchte ich einige Punkte klarstellen und eine Art Bildungsprogramm durchführen.

Lithium-Polymer-Batterien


Direkt von der Hauptsache - im öffentlichen Bereich gibt es keine Lithium-Polymer-Batterien im technischen Sinne des Wortes. Im englischsprachigen Raum haben wir uns bereits damit befasst, aber im postsowjetischen Raum gibt es einige Kosten in der Terminologie, die Vermarkter verwenden. Ein kleiner Exkurs ist nicht, dass dies nicht in anderen Regionen verwendet wird, aber es besteht zumindest die Möglichkeit, diese Informationen in Ihrer Muttersprache zu überprüfen.

Ein bisschen Geschichte


Jede Lithium-Ionen-Batterie besteht aus 4 Hauptkomponenten - zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Elektrolyten und einem Separator. Alle 4 Elemente haben sich weiterentwickelt und entwickeln sich weiter. Für den Elektrolyten wurden zu Beginn der Forschung (1970er Jahre) zwei Optionen vorgeschlagen - flüssiger oder fester Elektrolyt. Zu dieser Zeit versprach Festelektrolyt mehr Aussichten im Betrieb - der Elektrolyt leckt nicht, wenn das Gehäuse beschädigt ist, die Zelle selbst ist langlebiger. Der Hauptnachteil war und bleibt der hohe Widerstand des Festelektrolyten, der die physikalischen Eigenschaften negiert.

Tatsächlich kam es Anfang der neunziger Jahre zu einem Rückgang der von Unternehmen für die Entwicklung von Festelektrolyten bereitgestellten Ressourcen, als Sony den Akku mit flüssigem Elektrolyt auf den Markt brachte. Sony selbst war 1988 vom zukünftigen Erfolg des Festelektrolyten überzeugt.

Trotz des Fokus auf Flüssigelektrolyt haben Unternehmen nicht aufgehört, nach Alternativen zu suchen. Eine Option waren die sogenannten Hybridelektrolyte. Tatsächlich verwenden sie einen Abscheider mit kleinen Löchern und demselben flüssigen Elektrolyten. Obwohl es sich trocken anfühlt, unterscheidet sich die darin enthaltene Elektrolytmenge nicht von der einer herkömmlichen Batterie. Wie im Prinzip und Design:


Schematische Darstellung einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer LiCoO 2 -Kathode und einer Graphitanode aus Wikipedia in deutscher Sprache.

Solche Batterien sind weit verbreitet, ihre kommerzielle Verbreitung begann in den frühen 2000er Jahren, aber physikalisch und chemisch sind sie die gleichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten und im Allgemeinen gibt es nicht sehr viele von ihnen.

Was wird auf dem Markt präsentiert?


Eine Möglichkeit, eine Batterie zu klassifizieren, ist ihr Körper. Heute gibt es drei beliebte Verpackungsmethoden:
  • Zylinderzellen
  • Prismatische Zellen
  • Sack- oder Beuteltasche

Der erste Batterietyp ist für seine Verwendung in Tesla-Laptops und -Autos bekannt (er verwendet die am häufigsten verwendete Größe 18650).

Der zweite Typ ist eine veränderte zylindrische Form. Aluminiumgehäuse, Rechteck oder Quadrat im Querschnitt. Es ist beliebt für den stationären Gebrauch und im Transport.

Der dritte Typ hat ein weiches Gehäuse und ist nicht immer mit einem eingebauten Schutzsystem ausgestattet. In der Tat eine billigere Version der prismatischen Zelle. Dieser Batterietyp wird insbesondere in Mobiltelefonen verwendet.

Die letzten auf der Liste sind die gleichen "Polymer". Sie werden aus mehreren Gründen so genannt. Der arroganteste Weg für Vermarkter ist ein Fall aus Polymeren, weshalb sie „Polymer“ sind.

Die zweite Option ist die Verwendung eines feinporigen Polymerabscheiders. In der Tat nicht anders als eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie.

Die dritte Option, die ich nicht getroffen habe, besteht darin, den Namen "Polymer" zu geben, der auf der Verwendung von Polymerelementen als Grundlage für Kathoden, Anoden und andere Elemente basiert. In einem Kunststoffgehäuse gelangt es in der Regel in viele Batterien.

Terminologieprobleme


Bei der Entwicklung des Konzepts war die Idee, dass unter dem Begriff "flüssiger Elektrolyt" eine flüssige oder gelartige Lösung von Lithiumsalz zu verstehen ist, während der Begriff "fester Elektrolyt" ein fester Zustand einer Substanz ist. Da der Wunsch bestand, das zu verkaufen, was versprochen wurde, aber was heute selbst unter Forschern nicht der Fall ist, wird Gelelektrolyt in die Liste der „festen“ Elektrolyte aufgenommen, obwohl seine Eigenschaften noch wahrscheinlicher hybride sind. Daher findet man in wissenschaftlichen Arbeiten eine Beschreibung „Festgelelektrolyt“, die von einigen Wissenschaftlern als irreführend angesehen wird.

Die Zukunft der Polymerelektrolyte


Entwicklungen sind im Gange und in Zukunft können Batterien mit echtem Polymerelektrolyt auftreten. Ab 2015 zeigten Laborproben von Polymerelektrolyten auf Basis der organischen Chemie jedoch keine greifbaren Fortschritte. Daher ist zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Artikels auf absehbare Zeit kein Massenexodus aus flüssigem Elektrolyten zu erwarten.

Probleme mit dem Batterietyp


Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt. Sie haben verschiedene Namen, mit denen ihre Eigenschaften in Bezug auf Kapazität oder Sicherheit beschrieben werden können. Im Allgemeinen können die folgenden Typen gefunden werden:

  • Lithiumkobalt mit einer LiCoO 2 -Kathode - die geräumigsten Modelle haben eine Graphitanode.
  • -- LiMn2O4, Li2MnO3 LMnO, -
  • ---- NMC LiNiMnCoO2
  • -- LiFePO4 (LFP)
  • ---- (NCA) LiNiCoAlO2
  • -- (LTO) Li4Ti5O12

Sie können sofort die Ungleichmäßigkeit der Namen feststellen. Einige sind nach der Kathode benannt, andere nach der Anode. Und wenn man im ersten Fall immer noch versuchen kann, mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erraten, dass die Anode Graphit sein wird, dann kann man im Fall eines Namens durch die Anode nur raten. Auch die Entwicklung ist heute im Gange und im Prinzip finden Sie eine Batterie auf dem Markt mit einer LiFePO 4 -Kathode und einer Li 4 Ti 5 O 12 -Anode , d. H. Lithium-Eisen-Phosphat-Lithium-Titanat, die in diesem System keinen einfachen Marketingnamen haben. Link - ein wissenschaftlicher Artikel aus dem Jahr 2013 mit Tests einer solchen Batterie .

Der Grund für die Existenz einer so großen Anzahl von Kathoden und Anoden von Batterien liegt in verschiedenen Batterieanforderungen. Irgendwo ist mehr Sicherheit erforderlich, und irgendwo Kapazität oder Leistung. Sie können sich ein Bild von der gespeicherten Energie machen, indem Sie davon ausgehen, dass jeder Kathodentyp und jede Anode ein anderes Potential hat, wie aus den folgenden Bildern hervorgeht (das Potential von Lithiummetall wird als Potential von 0 V ausgewählt, die Spannungsdifferenz ist größer - die Leistung ist größer, die Energiedichte hängt von der Anzahl der Atome ab Lithium):


Allgemeines Schema mit Potenzialen der Universität Kiel. Quelle


auf dem Artikel 2013 der Autoren Jiantie Xu, Shixue Dou et al. Quelle


Ein anderes Bild von der Purdue School of Engineering and Technology. Quelle

Das folgende grobe Bild des Zusammenhangs zwischen den Zellpotentialen und der Möglichkeit der Metallisierung von Lithium bei sehr geringer Entladung oder thermischer Instabilität während des Wiederaufladens kann eine allgemeine Vorstellung von den Gründen geben:


Bilder aus Vorlesungen

Die unsichersten auf dem Markt befindlichen sind Lithium-Kobalt mit einer Graphitanode, die sichersten sind mit der Kathode LiFePO 4 und der Anode Li 4 Ti 5 O 12 . Natürlich reduziert das Vorhandensein eines BMS (Battery Management System) die Risiken, aber sie sollten nicht vernachlässigt werden, da das System nicht die gleiche zu starke Entladung verhindern kann, die für Batterien mit einer Graphitanode kritisch ist.

Häufige Fehler


Häufige Fehler


Der häufigste und am häufigsten auftretende Fehler ist der Widerstand gegen die „gewöhnliche Lithium-Ionen-Batterie“. Wie Sie oben sehen können, gibt es einfach keine „normale“. Und die Spannungsdifferenz kann für scheinbar dieselben Kathoden und für verschiedene Sätze von Kathoden und Anoden sehr unterschiedlich sein.

Der zweite, nicht so signifikante Fehler, der mit dem vorhergehenden Absatz verbunden ist, ist das Schreiben des Materials der Kathode LiFePO 4 wie folgt - LiFeP o 4 . Hier ist die Verwirrung weit verbreitet und zeigt sofort, wie Sie einer solchen Quelle vertrauen können.

Ein weiterer schwerwiegender Fehler ist der Gegensatz eines LiPo-Akkus zu einem Lithium-Ionen-Akku. Hier sind einige Vergleichsoptionen. Die erste ist eine allgemeine, die mit dem Missverständnis über die Existenz von Polymerelektrolytbatterien auf dem Markt zusammenhängt. Die zweite, die eine engere Anwendung hat, wird normalerweise wie folgt geäußert: "Eine Lithium-Polymer-Batterie [Rede über den Fall] ist besser / schlechter als die LFP / LTO / NCA (ersetzen Sie die notwendige)."

Es gibt eine Mischung aus Körpertyp und Füllung. Hier können

Sie beispielsweise etwas über die LFP-Batterie im Lithium-Polymer-Format lesen (in diesem Fall prismatischer Fall).

Batterie A ist länger als Batterie B.


Dies ist eine weitere eigentümliche Verdrehung von Fakten zur Argumentation während des Verkaufs. Diese Methode wird für verschiedene Batterietypen verwendet, aber meistens wird die LFP-Version der Batterie mit einer Lithium-Kobalt- oder NMC-Version mit einer Graphitkathode verglichen. In Artikeln im Internet, die sowohl Werbung als auch einfach nur populär sind, finden Sie das Verhältnis der vollständigen äquivalenten Zyklen im Jahr 2000 zu 500 zugunsten von LFP und als Ergebnis eine Geschichte über die signifikante Überlegenheit des ersten.

Es gibt mehrere Ungenauigkeiten. Erstens stammt die größte Anzahl von Artikeln über Lithium-Kobalt von 2005 bis 2006, während für LFP von 2012 bis 2013. Die Zyklusdaten basieren auf diesen Artikeln. Trotzdem hörte die Entwicklung nicht auf und war für alle Batterietypen gleich aktiv, und die Lücke war im gleichen Zeitintervall nicht so groß. Zweitens ist die Energiemenge, die der Akku über seine Lebensdauer überträgt, nicht angegeben, aber bei gleichen Größen hat der LFP eine geringere Kapazität.
Was den Hauptvorteil betrifft - eine größere Anzahl von Zyklen, wenn wir neue Untersuchungen durchführen und Serienproben unter gleichen Bedingungen vergleichen, ist der Unterschied nicht so dramatisch. Insgesamt sind es 20 bis 30% (800 Zyklen gegenüber 1000 bei 40 ° C), was den Kauf des gleichen LFP nicht immer rechtfertigt, da aufgrund der geringeren Spannungsdifferenz über den gesamten Lebenszyklus weniger Energie übertragen wird.

Es gibt keine Quellen mit direktem Vergleich, da der Testprozess selbst langwierig und teuer ist und durch Vereinbarungen über die Nichtoffenlegung der Namen der Teilnehmer erschwert wird. Aus einer Reihe von Daten lässt sich jedoch schließen, dass es heute für alle Lithium-Ionen-Batterien ähnliche Eigenschaften hinsichtlich der Batterielebensdauer in allen möglichen Szenarien gibt. einschließlich und einfache Lagerung. Diese Daten sind beispielsweise in den Quellen 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 angegeben .

Andere Quellen


BU-206: Lithium-Polymer: Substanz oder Hype?

Kazuo Murata, Shuichi Izuchi, Youetsu Yoshihisa "Ein Überblick über die Forschung und Entwicklung von Festpolymerelektrolytbatterien "

A. Manuel Stephan, KS Nahm "Übersicht über Verbundpolymerelektrolyte für Lithiumbatterien. Polymer "

D. Golodnitskya, E. Straussc, E. Peleda und S. Greenbaum " Übersicht - Über Ordnung und Unordnung in Polymerelektrolyten "

Mein vorheriger Artikel über Lithium-Ionen-Batterien - Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien

Source: https://habr.com/ru/post/de397705/

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