Kevin Ney Niklas Herde

Transkript

1 Lithium-Batterien Kevin Ney Niklas Herde Lena Musiolik

2 Inhaltsverzeichnis h i Funktionsweise einer Batterie Das Galvanische Element Entwicklung Besonderheiten der Lithium-Ionen-Batterie Lithium als Element Primäre Lithium-Batterie Wiederaufladbare Lithium-Batterie Typen und Anwendungsbereiche Quellen

3 Das Galvanische Element Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Man unterscheidet 3.Klassen: Primäre Zelle Sekundäre Zelle Tertiäre Zelle Umgangssprachliche: Batterie Irreversible Entladung Umganssprachlich: Akku (mulator) Reversibel, allerdings limitierte Brennstoffzelle Energieträger wird extern zugeführt

4 Funktionsweise

5 Entwicklung der galvanische a Elemente: 1799 Voltasche-Säulen (verschiedene Ausführungen meistens jedoch Zinn und Kupfer) Primäre Zelle 1854 Erster Blei-Akkumulator (Blei/Bleidioxid Elektrolyt: verd. Schwefelsäure) Sekundäre Zelle Ca.1938 Erste Lithium-Batterie (Lithium-Schwefeldioxid- Batterie) Primäre Zelle

6 Lithium Alkalimetall Leichtester kirstalliner Feststoff M= 6,941 g/mol ρ=0,535g/cm³ Niedrige Ionisierungsenergie Hohes Reduktionspotential Kleinstes Standardelektrodenpotential E 0 = -3,05 V

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8 Primäre-Lithium Lithium-Ionen Ionen-Batterien Metallisches Lithium als Anode Li Li + + e Mangandioxid als Kathode Mn IV O 2 + Li + + e - LiMn III O 2 Li + MnO 2 LiMnO 2 Nicht wässriger Elektrolyt zum Transport der Lithium- Ionen Aprotische organische/anorganische Lösungen Festionenleiter

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10 Solid Electrolyte Interphase (SEI) Elektronisch isolierende Deckschicht ( Film ) Elektronisch isolierende Deckschicht ( Film ). Gute Li + -Kationen-Leitfähigkeit des Films ermöglicht eine Lithiumabscheidung aus geeigneten organischen Elektrolyten. Bildung von nadelförmigem, sogenanntem dendritischen Lithium.

11 Lithium-Ionen Ionen-Batterien Li-Speichermaterialien als Kathode LiCoO 2 Graphit mit eingelagertem Lithium als Anode LiC n Redoxstabiler Elektrolyt zum Transport der Lithium-Ionen

12 2 Li 0,5 CoO 2 + LiC n 2 LiCoO 2 + C n

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14 Typen & Anwendungen ngen Li-Metall-Anode und nichtwässrigen Elektrolyt begann 1960 für Raumfahrt und Militär Anwendung in Herzschrittmachern aufgrund geringer Selbstentladung Kommerziell verbreiteteste Primäre-Lithiumbatterie ist die Li-MnO 2 -Zelle (Knopfzelle) Wiederaufladbare Li-Akkus im 3-C Markt (Camcorder, Cellular Phone & Computer) Forschung im Bereich der Hybrid- Und Elektrofahrezeuge

15 =) Typ Leerlauf- spannung Last- spannun g Anwendung LiSOCl 3,7 Volt 3,4 Netzunabhängige gg Versorgung gvon 2 Volt Elektronik im militärischen und industriellen Bereich LiMnO 2 3,5 3,0 Volt 2,9 Volt Vorteil gegenüber Li-batterien mit flüssiger Kathode (LiSOCl 2 ) ist die geringere g Passivierung der Anode, wodurch Spannungseinbrüche vermieden werden Li(CF) n 32 3,2 3, ,1 2,5 25 Leistung wichtiger als Kosten ist, Volt Volt beispielsweise im medizinischen Bereich LiI 2 2,8 Volt 2,795 Volt Zur Stromversorgung von Herzschrittmachern LiFeS 2 1,8 Volt 1,5 Volt Anwendung im Fotobereich

16 Im Vergleich Primäre Li-Batterie Hohe Zellspannung Hohe spezifische Energiedichte Weite Temperaturbereiche -40 C bis +70 C Geringe selbstentladung (>10 Jahre lagerfähig) Kapazitäten von 5mAh bis 20kAh Geringe Ströme im Mikroampere- Bereich Wiederaufladbare Li-Akkus Hochreversibler Li + - Einlagerungsreaktion Mehr als 1000 Entlade-/lade-Zyklen Entladespannung von 3-4V (ca. 3 Ni-Cd-Zellen)

17 Gefahrenquellen Das Gefahrenpotential ist um so größer, je höher die Energiedichte und je reaktiver die Komponenten sind. Die hochreaktiven Elektroden sind nämlich nur kinetisch, d.h. durch passivierende Oberflächenfilme, gegen eine plötzliche Reaktion mit dem organischen, leicht entflammbaren Elektrolyten geschützt. So sollte auf jeden Fall ein Betriebszustand der Lithium-Ionen- Zelle vermieden werden, der ein plötzliches Aufbrechen der Filme begünstigt, Primäre und wiederaufladbare Lithium-Batterien also z.b. eine Überladung oder Überentladung. Zusätzlich sind safety-devices wie Sicherheitsventil und PTC- Keramik in das Batteriegehäuse eingebaut, welche den Elektronenfluss außerhalb der Zelle vor dem unkontrollierten Durchgehen unterbrechen.

18 Quellen Allgemeine und Anorganische Chemie / Binnewies; Jäckel; Willner; RaynerCanham/ erschienen bei Spektrum -Akademischer Verlag / tremel.chemie.uni mainz.de/chiuz/script%20tu%20graz%20lithium-batterien.pdf

19 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit und Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit und schöne Semesterferien!