Verbesserung der Batterieleistung durch Chemie

[ * Der Titel des Artikels ist eine Anspielung auf den Namen von Fatboy Slims erstem Studioalbum „Better Living Through Chemistry“ / ca. perev. ]



Eine Blei-Säure-Batterie kann nicht als Wunder der modernen Technik bezeichnet werden. Es ist sehr zuverlässig und einfach zu bedienen. Um es aufzuladen, müssen Sie nur eine feste Spannung anlegen und etwas warten. Dadurch wird der Akku aufgeladen und bleibt voll aufgeladen - das ist alles. Auf der anderen Seite dieser Einfachheit stehen ihre Größe, ihr Gewicht, ihre Energiedichte und ihre Toxizität.

Eine Lithiumbatterie ist ein moderner Hit. Ihre hohe Energiedichte führt jedoch dazu, dass ihr kleines Gehäuse wütend werden und bei Misshandlung sehr gefährlich werden kann. Wissenschaftler suchen nach sichereren Batterieoptionen, verbesserten Ladesystemen, Formeln zur Verlängerung der Batterielebensdauer, die tausende Male aufgeladen werden könnten, und eine kürzlich erschienene Veröffentlichung hat viele begeisterte Reaktionen hervorgerufen.

Berücksichtigen Sie die Anforderungen an die Batteriezelle in einem Elektrofahrzeug:

• Hohe Energiedichte (große Energiemenge in einer kleinen Batterie).
• Die Fähigkeit, schnell aufzuladen.
• Möglichkeit der schnellen Entladung.
• Viele Lade- / Entladezyklen.
• Geringe Selbstentladung.
• Sicherheit

Im Moment sind Lithium-Ionen-Batterien die beste Option, aber es gibt viele chemische Reaktionen mit Lithium. Abhängig von der geplanten Verwendung, dem Ausgleich und dem Laden können Sie verschiedene Reaktionsoptionen für unterschiedliche Leistungsmerkmale optimieren. Zwar gibt es keine perfekte Batterie, und widersprüchliche Anforderungen garantieren die Verfügbarkeit mehrerer Optionen auf dem Markt.

Wie Lithium + Ionen funktioniert

Entladen eines Li-Ionen-Akkus

Alle Batterien funktionieren gleich. Es gibt drei Komponenten: Anode, Kathode und Elektrolyt. Eine chemische Reaktion zwischen einem Elektrolyten und Elektroden (Anode und Kathode) erzeugt Ionen in der Nähe einer Elektrode und Elektronen neben einer anderen, was zu einer Potentialdifferenz führt. Elektrodenpaare bestehen aus verschiedenen Materialien. Die Anode ist Graphit, der an Kupfer gebunden ist, und die Kathode ist ein Lithiumkristall, der an Aluminium gebunden ist. Der Elektrolyt wirkt wie ein Isolator, sodass Elektronen über einen Stromkreis leichter von einer Elektrode zur anderen gelangen können als im Inneren der Batterie. Am Ende der Reaktion entlädt sich die Batterie und die Reaktion läuft nicht mehr ab, wenn die Elektronen nirgendwo hingehen können. Um die Batterie aufzuladen, kehrt sich der Prozess um und die dem Elektrolyten zugeführte Spannung startet die Reaktion in die entgegengesetzte Richtung. Nicht alle Elektrolyte sind gleich; Die Chemie der Batterie, die nicht aufgeladen werden kann, ermöglicht es ihr, mehr Energie zu speichern, aber das Anlegen einer Sperrspannung in ihr startet die chemische Reaktion nicht zurück.

Die Fähigkeiten der Batterie lassen sich am besten durch Vergrößern der Oberfläche der Elektroden erkennen. Daher ist es besser, ein Sandwich aus Anode, Elektrolyt und Kathode so dünn wie möglich und mit einer größeren Kontaktfläche herzustellen. Das Sandwich enthält auch mehrere Scheiben anderer poröser Materialien, die den Durchgang von Ionen ermöglichen, jedoch die Migration von Materialien verhindern. Nehmen Sie einige Ihrer Batteriesandwiches und stapeln Sie sie abwechselnd mit Trennwänden zusammen. Das Ergebnis ist entweder eine leere Batterie (eine billige Zelle in einem silbernen Gehäuse) oder eine prismatische Batterie (eine modische Batterie, die Sie auf einem Laptop nicht finden) oder wenn Sie alles in eine Röhre drehen - eine zylindrische Batterie (z. B. 18650 oder AA). .

Million Mile Batterie

Möglicherweise haben Sie bereits die Nachricht gelesen, dass Tesla verspricht, eine Batterie mit einer Lebensdauer von einer Million Meilen freizugeben. Die eigentliche Arbeit wurde von einer Gruppe von Forschern der Universität Dalhousie in Halifax (Kanada) im Rahmen eines Vertrags mit Tesla durchgeführt. Sie führten jedoch zahlreiche Tests mit verschiedenen Li-Ionen-Batterien durch, um die beste Kombination chemischer Elemente sowie Verwendungs- und Ladeprofile zu finden. Eine Million-Meilen-Batterie ist nur eine Marketing-Zusammenfassung, die Forschung beschreibt, die die chemischen Formeln von Batterien optimiert, um deren Batterielebensdauer zu verlängern. Die Arbeit selbst ist mit Fachjargon gefüllt , deshalb habe ich das ganze Wochenende über das Thema Batterien studiert, um eine Auswahl zu treffen.

Das erste, was in Bezug auf die Formel „eine Million Meilen“ erwähnenswert ist - es ist nicht typisch für das Verhalten der meisten heutigen Fahrer, durchschnittlicher Autobesitzer, die zur Arbeit und nach Hause fahren. Wissenschaftler haben eine solche Nutzung des Autos angestrebt, bei der nach einer fast vollständigen Entladung ständig gefahren und die Batterie aufgeladen wird. Diese Situation eignet sich für LKW, Taxis und Busse. Sie verwenden den Begriff 100% DOD, d.h. "Entladungstiefe" ist, wenn der Akku bis zum Anschlag verbraucht wird und erst dann aufgeladen wird, im Gegensatz zu beispielsweise einem Smartphone, das jede Nacht aufgeladen wird, unabhängig vom Zustand des Akkus.

Was ans Licht kam: Batterien wie kalt; heiße neue Formeln

Sie fanden, dass die Temperatur sehr wichtig ist. Eine Batterie, die die meiste Zeit ihrer Lebensdauer bei 20 ° C gearbeitet hat, hält länger als eine Batterie, die bei 40 ° C funktioniert hat. Batterien, die bei hohen Temperaturen betrieben werden und dann in niedrige Bedingungen fallen, verlieren jedoch ihre Kapazität bei der gleichen Geschwindigkeit wie Batterien, die immer bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Mit anderen Worten, bei hoher Temperatur verliert der Akku schneller an Kapazität, und bei niedriger Temperatur verliert er nicht so schnell an Kapazität, und jeder Akku kann sich in diesem Diagramm ohne Speichereffekt hier und da bewegen. Niedrigere Temperaturen sorgen für eine geringere Abbaurate auf molekularer Ebene - weniger Risse, Dendriten, Gastaschen usw. Sie ruhten sich sehr darauf aus, wie wichtig es ist, alles auf einer niedrigen Temperatur zu halten.

In früheren Experimenten verbrachten die Forscher viel Zeit damit, andere Kombinationen chemischer Elemente zu untersuchen, entschieden sich jedoch für die NMC532-Graphitelektroden (wie die meisten Wissenschaftler). In der Chemie ist NMC532 ein anderer Name für LiNi _0,5 Mn _0,3 Co _0,2 O ₂ . In einfachen Worten bedeutet dies, dass die Kathode hauptsächlich aus Lithiumkristallen mit einer kleinen Menge Nickel, Mangan, Kobalt und Sauerstoff besteht und die Anode aus Graphit besteht (obwohl Studien zu Graphen vielversprechend aussehen).

Die NMC532 / Graphit-Charakteristik ist für die Batterie jedoch nicht erschöpfend. Es ist auch notwendig, den Elektrolyten anzugeben. Ein Elektrolyt ist eine Mischung aus LiPF ₆ , Lösungsmitteln und Additiven, deren Namen zu lustig sind, um laut gesprochen zu werden - wie Dimethylcarbonat oder Ethylensulfat. In dieser Arbeit testeten sie verschiedene Lösungsmittelkombinationen. Additive können auch die Zellleistung beeinflussen, indem sie die Lade- / Entladerate durch Verkürzung der Lebensdauer erhöhen oder umgekehrt. Basierend auf früheren Studien mochten sie die beiden Ergänzungsformeln (2% FEC + 1% LFO und 2% VC + 1% DTD) sehr, obwohl sie feststellten, dass sie sich bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich verhielten, und schlugen vor, Additive entsprechend den beabsichtigten zu wählen Anwendung. Bei der Herstellung von Batterien werden normalerweise zuerst trockene Komponenten hergestellt, denen dann flüssiger Elektrolyt zugesetzt wird (Sparkfun hat einen ausführlichen Artikel über den Produktionsprozess verfasst).

Durch die Wahl einer speziellen Formel und die Aufrechterhaltung einer niedrigen Betriebstemperatur konnten die Forscher die beiden Hauptursachen für die Verschlechterung der Batterie minimieren. Lithiumverlust und erhöhte Impedanz. Im Durchschnitt klettern Lithiumionen, die sich hier und da bewegen, im Laufe der Zeit an Orte, an denen sie nicht arbeiten können. Sie können sich als elektrisch isoliert herausstellen, in Platten, Dendriten und Oberflächenfilme gruppiert sein, mit anderen Komponenten der Zelle reagieren und nicht am Laden und Entladen teilnehmen. Dendriten sind besonders schädlich - diese Kristalle in Form scharfer Lithiumnadeln können die Separatoren durchdringen und die Zelle kurzschließen, was sich dann erwärmt und zu einer sich selbst erhaltenden Reaktion und schließlich zu einer Explosion führt. Die Impedanz steigt aufgrund von Korrosion der Elektroden und dem Verlust der Nutzfläche aufgrund chemischer Reaktionen, Risse oder der Bildung einer resistiven Oberflächenschicht, die die Elektrode blockiert.


Methoden zur Batterieverschlechterung. Es gibt viele von ihnen, aber im Wesentlichen kommt es darauf an, dass "Atome sich dort bewegen, wo sie es nicht brauchen".

Einer der Gründe, warum ihre Studie mehr Aufmerksamkeit auf sich zog, war, dass sie gewissenhaft und offen war. Es dauerte drei Jahre, bis er jeden Akku mit äußerst genauen Lade- und Entladegeräten, die die Akkukapazität aufzeichnen, Tausende von Lade- und Entladezyklen durchlaufen ließ - und das alles, um die vollständigsten Daten zu erhalten. Es ist normalerweise ziemlich schwierig, den Batterielebenszyklus im beschleunigten Modus zu messen. Batterien unterliegen höheren Lade- / Entladegeschwindigkeiten als im normalen Leben erforderlich und erhalten weniger Erholungszeit. Die Tatsache, dass die Forscher so viel Zeit für ihre Arbeit aufgewendet haben, deutet auf realistischere Ergebnisse hin. Sie wiesen auch ausdrücklich darauf hin:

Im Gegensatz zu Berichten über die Verwendung kommerzieller Zellen enthielten wir eine vollständige Beschreibung aller Details unserer Batterien, einschließlich der Zusammensetzung der Elektroden, der Zusammensetzung des Elektrolyten, der verwendeten Additive usw. Dies geschieht, damit andere Personen diese Zellen reproduzieren und für ihre eigenen Kontrollen verwenden können.

Zur Abwechslung ist es schön, eine Studie mit kommerzieller Unterstützung zu sehen, die gemeinfrei und sogar unter einer Creative Commons-Lizenz veröffentlicht wird.

Trotz der Offenheit der Arbeit werden wir in naher Zukunft wahrscheinlich keine selbst hergestellten Li-Ionen-Batterien sehen. Vielleicht sehen wir einen allmählichen Übergang zu den vorgeschlagenen Formeln, und wir möchten, dass die Kühlung stärker beeinflusst wird, da dies die Batterielebensdauer erheblich verlängert. Wir sind sicher, dass Tesla eine Batterie, die Sie benötigen, bald von einer seiner Gigafabriken an Sie verkaufen kann.