Li-Ionen-Batterien für EV und was zu verbessern?
| Jerry Huang
Es gibt zwei Haupttypen von Lithiumbatterien: Li-Ionen-Batterien und Lithium-Metall-Batterien. Bisher sind die für Elektrofahrzeuge verwendeten Li-Ionen-Batterien LFP (LiFePO4), NCM (LiNiMnCoO2), NCA, LCO (LiCoO2), LNO (LiNiO2), LMO (LiMn2O4, Li2MnO3) und LTO-Batterien.
Die Lithium-Metall-Batterie wurde erstmals 1970 von MS Whittingham erfunden, während diese veraltete Art von Lithium-Metall-Batterie normalerweise nicht wiederaufladbar ist. Während eine neuartige wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterie, die von SolidEnergy Systems erfunden wurde und die Gesamtvorteile des geringen Gewichts, der doppelten Energiedichte der aktuellen Li-Ionen-Batterie, der langen Lebensdauer, der angemessenen Kosten und der Sicherheit als je zuvor aufweist, zu einer groß angelegten Anwendung gekommen ist. Hoffentlich wird dies die neueste und nächste vorherrschende Generation von Lithiumbatterien sein.
Wikipedia-Zitat: Lithium-Ionen-Batterie oder Li-Ionen-Batterie (LIB) ist eine Art wiederaufladbare Batterie. Lithium-Ionen-Batterien werden häufig für tragbare Elektronik und Elektrofahrzeuge verwendet und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit bei Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen. Ein Prototyp einer Li-Ionen-Batterie wurde 1985 von Akira Yoshino entwickelt, basierend auf früheren Forschungen von John Goodenough, Stanley Whittingham, Rachid Yazami und Koichi Mizushima in den 1970er bis 1980er Jahren, und dann wurde eine kommerzielle Li-Ionen-Batterie von Sony entwickelt und Asahi Kasei-Team unter der Leitung von Yoshio Nishi im Jahr 1991.
Chemie, Leistung, Kosten und Sicherheitsmerkmale variieren je nach LIB-Typ. Handheld-Elektronik verwendet meist Lithium-Polymer-Batterien (mit einem Polymergel als Elektrolyt) mit Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) als Kathodenmaterial, das eine hohe Energiedichte bietet, aber Sicherheitsrisiken birgt, insbesondere bei Beschädigung. Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4), Lithium-Ionen-Manganoxid-Batterien (LiMn2O4, Li2MnO3 oder LMO) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO2 oder NMC) bieten eine geringere Energiedichte, aber eine längere Lebensdauer und eine geringere Brand- oder Explosionswahrscheinlichkeit. Solche Batterien werden häufig für Elektrowerkzeuge, medizinische Geräte und andere Aufgaben verwendet. NMC und seine Derivate sind in Elektrofahrzeugen weit verbreitet.
Zu den Forschungsbereichen für Lithium-Ionen-Batterien gehören unter anderem die Verlängerung der Lebensdauer, die Erhöhung der Energiedichte, die Verbesserung der Sicherheit, die Reduzierung der Kosten und die Erhöhung der Ladegeschwindigkeit. Auf dem Gebiet der nicht brennbaren Elektrolyte wurde auf der Grundlage der Entflammbarkeit und Flüchtigkeit der in typischen Elektrolyten verwendeten organischen Lösungsmittel geforscht, um die Sicherheit zu erhöhen. Zu den Strategien gehören wässrige Lithium-Ionen-Batterien, keramische Festelektrolyte, Polymerelektrolyte, ionische Flüssigkeiten und stark fluorierte Systeme. (Wikipedia unzitiert)
Die wichtigsten Lithiumbatterien für Elektrofahrzeuge sind NCA und NCM, wobei LFP 2020 auf dem Weltmarkt eine untergeordnete Option darstellt. Die Energiedichte einer LFP-Einzelzelle beträgt normalerweise etwa 110 Wh/kg, nur sehr wenige können 190 Wh/kg erreichen; während die Energiedichte einer NCM-Einzelzellenbatterie praktisch 200 Wh/kg betragen kann und hoffentlich bald 300 Wh/kg erreichen könnte; aber für NCA-Batterien können es heute etwa 300 Wh/kg sein. Tesla verwendet heute in seiner globalen Lieferkette hauptsächlich NCA-Batterien von Panasonic und LG Chem sowie NCM- und LFP-Batterien von CATL.
LFP-Batterien haben den Vorteil niedriger Kosten und viel besserer Sicherheitseigenschaften als NCA/NCM-Batterien, während ihre vergleichsweise geringe Energiedichte ein klarer Nachteil ist.
Zum Vergleich von NCA- und NCM-Batterien haben Forschung und Marktanwendung gezeigt, dass NCA-Lithiumbatterien mit geringerem Kobaltgehalt, viel besserer Lebensdauer und viel geringerer Verschlechterung als NCM-Lithiumbatterien kostengünstiger sind, obwohl die Zykluslebensdauer von NCA geringer ist als die von NCM Batterie. Einige der NCA-Batterien werden in Solarenergiespeichern im Weltraum mit einer Lebensdauer von bis zu zwanzig Jahren verwendet! Der Nachteil der NCA-Batterie beruht auf ihrem Sicherheitsfaktor, bisher ist sie unter Hochtemperaturbedingungen nicht so sicher wie NCM und LFP. Die Forscher glauben jedoch, dass NCA in naher Zukunft die erste Wahl für Elektrofahrzeuge werden wird, da sich Sicherheit und Produktion verbessern.
Hinweis: Als basische Lithiumsalze können Lithiumhydroxidmonohydrat, Lithiumcarbonat (häufig in LIB-Kathodenmaterialien verwendet) und Lithiumchlorid in verschiedene Lithiumverbindungen umgewandelt werden, wie z. B. LiPF6, LiFSI, LiTFSI und LiBF4 für Elektrolyte oder Lithiummetall für Anoden Herstellung von Lithiumbatterien. Poworks Lithiumsalze finden Sie hier .