Lithiumbatterien Flashcards
Weshalb ist Lithium besonders attraktiv für den Einsatz in Batterien?
- Lithium ist das Material mit der negativsten Spannung (hohe Zellspannung möglich)
- Lithium ist das Material mit der niedrigsten spezifischen Dichte (hohe spezifische Energie der Batterie)
- Lithium bildet an der Grenze zum Elektrolyten eine passivierende Deckschicht (SEI = Solid Electrolyte Inteface), welche die Elektrode schützt und ionenleitend ist. Dadurch ist eine hohe Lebensdauer möglich.
In welche zwei Arten lassen sich Lithium-Systeme hinsichtlich ihres Anodenmaterials unterscheiden?
- Lithium-Metall: Systeme mit metallischem Lithium
- Lithium-Ionen: Systeme ohne metallischem Lithium (unterteilt in Lithium-Ionen flüssig & Lithium-Ionen Polymer) – für EV und Power Tools geeignet
In welche zwei Arten lassen sich Lithium-Systeme hinsichtlich ihres Elektrolyten unterscheiden?
- Flüssiger Elektrolyt: Lithium-Metall / Li-Ionen
2. Polymer-Elektrolyt: Lithium-Metall / Li-Ionen
Formierung: Um die spez. Kapazität der Elektroden auszugleichen und die Verluste bei der Erstladung zu kompensieren, wird eine Elektrode überdimensioniert. Welche Elektrode muss überdimensioniert werden?
In der Regel wird die positive Elektrode vorbeladen und dann die Zelle nach der Integration erstgeladen (Formierung). Da bei der Formierung Verluste auftreten (SEI-Bildung), muss dementsprechend die vorbeladene, also die positive Elektrode, überdimensioniert werden.
Nennen Sie drei verschiedene Gitterstrukturen von Kathodenmaterialien bei Lithium-Ionen- Batterien.
- Schichtstrukturen
- Spinellstruktur
- Olivinstruktur
Nennen Sie drei kommerziell verwendete Kathodenmaterialien bei Lithium-Ionen-Batterien.
- Lithium-Kobald-Oxid (LCO oder LiCoO2)
- Lithium-Eisen-Phosphat (LFP oder LiFeO4)
- Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4)
- Lithium-Nickel-Mangan-Oxid (NMO)
- Lithium-Kobald-Aluminium-Oxid (NCA)
Nennen Sie zwei kommerziell verwendete Anodenmaterialien bei Lithium-Ionen-Batterien.
- Natürliches Graphit
- Künstliches Graphit
- Amorphes Carbon
Kohlenstoffe auf Cu-Folie
Nennen Sie ein kommerziell verwendetes Leitsalz des Elektrolyten bei Lithium-Ionen-Batterien.
Der Elektrolyt ist eine Mischung aus organischen Lösungsmitteln, Leitsalt und Additive.
- LiPF6
- LiCF3SO3
- LiN(CF3SO2)2)
Nennen Sie drei kommerziell verwendete Bauformen (Konstruktionsprinzipien) von Lithium- Ionen Zellen.
- Prismatische Zelle, mit gewickeltem Elektrodenstapel (z.B. bei BMW)
- Rundzelle (Zylindrisch, z.B. 18650 bei Tesla)
- Coffee-Bag-Zelle (Pouch)
Nennen Sie drei Abschaltkriterien für ein Batteriemanagementsystem bei Lithium-Ionen- Batterien.
Abschaltkriterien: 1. Überladung, Kurzschluss (auf Zellebene) 2. Tiefentladung (auf Zellebene) 3. Überhitzung Das BMS braucht: - Modulspannungsüberwachung - Ausgleich der Ladezustände der einzelnen Zellen - Temperaturüberwachung Stromüberwachung
Nennen Sie fünf Entwicklungsansätze, um die intrinsische Sicherheit von großformatigen Lithium-Ionen Zellen zu erhöhen.
Elektrisch:
- PTC-Element, Strombegrenzung bei hohen Temperaturen
- Current Interruption Device (CID), Stromunterbrechung bei Überdruck
Mechanisch:
- Berstscheibe, Batterieöffnung bei Überdruck
- Shutdownseparator, Unterbindung von weiterem Ionenfluss
- Keramisch beschichtete Separatoren, temperaturbeständigerer Keramikzusatz verhindert Kurzschlüsse nach Separatorshutdown
Chemisch:
- Elektrolytadditive, Überladungs- und Flammhemmung
Nennen Sie die beiden Alterungsformen, die bei Lithium-Ionen-Batterien unterschieden werden?
- Zyklisch (Einfluss des Ladezustands und der Zyklentiefe auf die Alterung beachten)
- Kalendarisch (Einfluss der Temperatur auf die Alterung beachten;
Welche Volumenausdehnung leistet die Anode bei der Interkaltation/ Deinterkalation mit Lithium-Ionen bei Lithium-Ionen-Batterien?
Bei der Interkalation von Lithium-Ionen in die Graphitanode erfolgt eine Volumenausdehnung von ca. 10 %.
Wodurch kann eine beschleunigte Alterung bei Lithium-Ionen-Batterien hervorgerufen werden?
Temperatur: 1. zu hohe Temperaturen (Faustformel: 10 K Temperaturerhöhung halbiert die Lebensdauer) 2. Lagerung bei zu niedrigen Temperaturen < -20°C Ladezustand: 3. große DOD 4. große Ströme 5. hohe Zyklentiefen 6. Betrieb bei geringem Ladezutsand SOC 7. Überladen & Tiefentladen
Was ist die state-of-the-art Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien auf Zellebene?
Energiedichte ca. 250 bis 500 Wh/l (volumetrisch)
Oder 100 bis 190 Wh/kg (gravimetrisch)
Welche Elektrode einer state-of-the-art Lithium-Ionen-Batterie ist kapazitätsbegrenzend?
Kathode
Welche Reaktion findet an den Elektroden einer Lithium-Ionen-Batterie statt? Wodurch unterscheidet sich dieser Prozess von anderen Batterietypen wie beispielsweise Bleiakkumulatoren?
- Interkalation: Eindringen der Lithium-Ionen in die Struktur des Aktivmaterials
- Deinterkalation: Ausdringen der Lithium-Ionen aus der Struktur des Aktivmaterials bei Lithium-Ionen-Batterien
- Redoxreaktionen: bei Bleiakkumulatoren
Was gilt es bei der Auslegung von Lithium-Ionen-Batterien zu beachten? (4)
- Porosität beeinfluss Kapazität der Zelle, denn durch das Porenvolumen ist nicht das ganze Volumen der Elektroden mit Aktivmaterial gefüllt – das beeinflusst die benötigte Menge des Elektrolyten
- Binder und Leitzusatz
- Beim ersten Zyklus (Formation) geht 10-15% der Kapazität verloren durch die SEI-Bildung. Das muss bei der Auslegung beachtet werden, indem die Kathode überdimensioniert wird
- Zudem hat Kathode geringere spez. Kapazität als Anode, dies muss auch ausgeglichen werden um auf die gleiche flächenbezogene Kapazität zu kommen.
- Der poröse Separator beeinflusst zusätzlich die Menge an beizumischenden Elektrolyten
Nennen sie die Bestandteile einer Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie.
- Aktivmaterial (z.B. Kathodenmaterial)
- Binder
- Leitzusätze (Kohlenstoff)
Woraus besteht ein Elektrolyt für die Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien?
Mischung aus organischen Lösungsmitteln + Leitsalz + Additive
Nimmt ein solcher Elektrolyt einer Lithium-Ionen-Batterie an der Zellreaktion teil?
Nein, Elektrolyt in Li-Ionen-Batterien ist nur ein Ionenleiter.
In welcher Größenordnung liegen die Schichtdicken einer Hochenergie-Lithium-Ionen Batterie?
Schicht-Dicken der Komponenten:
- Al-Folie: 15 micrometer
- Kathode: 150 micrometer
- Separator: 20-30 micrometer
- Anode: 60 micrometer
- Cu-Folie: 10 micrometer
Was ist die SEI? In welcher Größenordnung liegt die Schichtdicke?
SEI = Solid Electrolyte Interface. Das Lithium wird bei der Integration der Zelle kathodenseitig eingebracht. Da sich bei der Erstladung der Zelle ein gewisser Teil des Lithiums als Solid Electrolyte Interface (SEI) an der negativen Elektrode ablagert, treten zusätzliche Verluste von Aktivmaterial auf.
Schichtdicke: anfangs 40 nm (Anstieg über die Zeit, abhängig von Temperatur)
Welche Komponente der Elektrode trägt zur Energiespeicherung bei?
Aktivmaterial
Definieren Sie den Begriff der Porosität. Wie beeinflusst die Porosität das Zellverhalten?
Porosität definiert sich als das Verhältnis von gemessener zur theoretisch berechneten Dichte. Anschaulicher ist der Vergleich von Festkörper- und Schüttdichte. Demnach hat eine Menge aus Partikeln (Schüttung) eine andere Dichte als ein Festkörper. Die Differenz aus der Dichte des einzelnen Partikels und der Dichte der Schüttung ist die Porosität.
Die Porosität beeinflusst das Zellverhalten, indem
• sie die Elektrolytmenge in den Elektroden und dem Separator bestimmt,
• sie die Reaktionskinetik durch die spezifische Oberfläche verändert,
- sie die Diffusionswege durch das Material verändert.
Was ist der Unterschied zwischen einer Hochenergie- und einer Hochleistungszelle? Wie macht sich dieser Unterschied im Zelldesign bemerkbar?
- Hochenergiezelle: hohe spez. Energie
- Hochleistungszelle: hohe spez. Leistung
Zelldesign: - Hochenergiezelle: große Mengen an Aktivmaterial (geringe Porosität); große Elektrodenschichtdicke
- Hochleistungszelle: hohe Reaktionsgeschwindigkeiten durch hohe Porosität & geringe Elektrodenschichtdicken
Welche Eigenschaften werden durch die Oberfläche und das Volumen des Aktivmaterials festgelegt?
- Oberfläche: regelt maximal entnehmbare Leistung
- Volumen: regelt die maximal entnehmbare Energie
Masse der Elektrode
Wie hoch ist die thermische Energie einer Lithium-Ionen-Batterie im Vergleich zu ihrer elektrischen Energie?
Die thermische Energie einer Lithium-Ionen-Batterie beträgt das 10 bis 20-fache der elektrischen/gespeicherten Energie der Zelle. D.h. es besteht eine hohe Entflammung-Gefahr, u.a. auch weil Sauerstoff bereits im System vorhanden ist. Thermo-Management ist essentiell.
Nennen Sie vier mögliche Nebenreaktionen in Lithium-Ionen-Batterien.
- SEI-Bildung
- Lithium Plating
- Elektrolytoxidation (-reduktion)
- Kupferoxidation (-reduktion)
Nennen Sie zwei zukünftige Entwicklungstrends zur Steigerung der Energiedichte von elektrochemischen Energiespeichern.
- Lithium-Luft-Systeme (Nachteil: Bildung von Dendriten)
- Lithium-Schwefel-Systeme
a. Vorteil: hat die höchste theor. spez. Energiedichte bei einem System mit festen Elementen
b. Nachteil: Aber Schwefel ist ein sehr schlechter Elektronenleiter, daher müssen große Mengen Leitzusätze dazugegeben werden und die Strombelastbarkeit ist begrenzt.
Suche nach Kathoden mit hoher spezifischer Kapazität.
