Lithium-Ionen-Batterien: Die Welt, in der wir leben

Dieser Artikel enthält eine detaillierte Querschnittsdarstellung der Funktionsweise der Technologie und bietet einen Überblick über die Geschichte der Lithium-Ionen-Batterien, die kürzlich zum Nobelpreis führte. Dieser Artikel untersucht die Technologie in modernen Anwendungen. Zu den Empfängern des diesjährigen Nobelpreises für Chemie zählen M. Stanley Whittingham, John Goodenough und Akira Yoshino für die Entwicklung von Industriellen Lithiumbatterien.

In Whittinghams erster Lithium-Ionen-Batterie, die Anfang der 1970er Jahre entwickelt wurde, wurde eine metallische Lithiumanode verwendet. Leider reagierte sie mit dem Elektrolyten, was zu Instabilität und dem Wachstum von Lithiumwhiskern führte, was zu einer Explosion der Batterie führen konnte. Er entdeckte, dass die Verwendung von interkaliertem Lithiumkobaltoxid in der Kathode fast 4 Volt erzeugen konnte, was doppelt so viel war wie die 2 Volt von Whittinghams Batterie.

Eine Graphitanode wurde im Jahr 2000 von Yoshino bei Asahi Kasei Corporation entwickelt. Asahi Kasei Corporation verwendete zunächst Petroleumkoks, aber Graphit erwies sich als wirksamer. Durch die Einlagerung von Lithiumionen in das geschichtete Graphitmaterial ist in der Batterie kein freies metallisches Lithium vorhanden. 1991 brachten Sony und Asahi Kasei Corporation die Lithiumionenbatterie auf den Markt. Samsung SDI begann im Jahr 2000 mit der Herstellung der Batterie in Cheonan, Korea. Da Lithiumionenbatterien mittlerweile weithin verfügbar sind, haben sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung mobiler Geräte gespielt.

Eine herkömmliche Lithiumionenbatterie (Li) ist in Abbildung 1 dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Anode (dem Minuspol einer geladenen Batterie) und einer Kathode (dem Pluspol), die durch einen Elektrolyten und einen Separator getrennt sind. Während des Betriebs fließen Li+-Ionen durch den porösen Separator einer Lithiumionenbatterie von der Kathode zur Anode. Ein entsprechender Elektronenstrom fließt von der Anode zur Kathode durch die elektrische Last. Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner hohen Elektropositivität wurde Lithium für das Periodensystem ausgewählt.

Dieses Samsung SM-G977U Galaxy S10 5G-Smartphone enthält einen Samsung SDI-Akku, der derzeit einer detaillierten Struktur- und Materialanalyse unterzogen wird. Der Samsung SDI EBBG977ABU Li-Ionen-Akku ist in Abbildung 2 zu sehen, wobei das Gehäuse auf der Rückseite entfernt wurde. Der Samsung SDI EBBG977ABU ist laut Verpackungskennzeichnung ein 3,85 V, 4400 mAh Li-Ionen-Akku. Dieser Li-Ionen-Akku ist als Beutelzelle verpackt und in die Form einer Biskuitrolle abgeflacht.

Der EB-BG977ABU Li-Ionen-Akku wurde in den Laboren von TechInsights einer Querschnittsanalyse unterzogen. Abbildung 3 zeigt eine Querschnittsansicht der rechten Seite des Akkus. Er ist mit organischen Polymermaterialien um den Rand einer Ummantelungsschicht versiegelt. Anoden, Separatoren und Kathoden sind im Uhrzeigersinn als vorgefertigte Stapel aus Anodenseparatoren, Kathoden und Separatoren gewickelt. In der Mitte des Bildes befindet sich die Kupferanodenelektrode, während sich in der oberen rechten Ecke das Ende der Kupferanode befindet. Am linken Ende des Pakets beginnt die aktive Zellstruktur kurz nach der zweiten Wicklung. Insgesamt 9 Wicklungen der Kathodenseparatormaterialien werden verwendet, um die Anode von der Kathode zu trennen, was zu 17 aktiven Zellschichten auf der Unterseite und 19 aktiven Zellen auf der Oberseite der Batterie führt.

Ein Querschnittsbild der aktiven Zellstruktur nach der Abgrenzung ist in Abbildung 4 dargestellt. Kupferanoden, graphitbasierte aktive Materialien für Anoden, organische Separatoren, kobaltoxidbasierte aktive Kathodenschichten und Aluminiumkathoden bilden die aktive Zelle. Die Zellen sind so gestapelt, dass sowohl Anoden- als auch Kathodenfolien auf beiden Seiten aktives Material aufweisen, wodurch die Oberfläche jeder Anoden- und Kathodenfolie maximiert wird.

In Abbildung 5 präsentieren wir eine SEM-Mikrofotografie der Zellstruktur nach der Abgrenzung. Die Batteriematerialien wurden mithilfe der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) auf SEM-Basis analysiert. Kupfer und Aluminiummetall werden verwendet, um die Anode bzw. Kathode zu bilden. Graphit ist das aktive Material der Anode, aber es wurden auch Phosphor und Fluor nachgewiesen, die wahrscheinlich Rückstände des Lithiumhexafluorophosphat-Salzes (LiPF6) sind, das anscheinend der möglicherweise verwendete Batterieelektrolyt ist.

Ein Material, das Kohlenstoff, Kobalt und Phosphor enthält, wurde im aktiven Anodenmaterial neben dem Kupferanodenmetall nachgewiesen. Li kann mit SEM-EDS nicht nachgewiesen werden. Ein organischer Polymerseparator ist auf beiden Seiten mit einem keramischen Material auf Aluminiumoxidbasis beschichtet. Eine aktive Kathodenschicht wird durch ein Kobaltoxidpartikel gebildet. Zwischen den Kobaltoxidpartikeln befanden sich Elektrolytreste, die Kohlenstoff, Phosphor und Fluor enthielten.

Es besteht kein Zweifel, dass Lithium-Ionen-Batterien einen tiefgreifenden Einfluss auf die Welt hatten. Ohne sie hätte es die Revolution der mobilen Geräte, die unsere Welt so dramatisch verändert hat, nicht gegeben. Außerdem hätten Elektrofahrzeuge weniger Aussicht auf Erfolg, wenn sie nicht erfunden worden wären. Lithium-Ionen-Batterien basieren auf der gleichen Struktur wie Alessandro Voltas erste Batterie, die aus Kupfer (cAthode) und Zink (Anode) Scheiben, die durch in Salzwasser getränkte Tücher (Separatoren) getrennt waren. Weitere Informationen zu Industrielle Lithiumbatterien für Gabelstapler.

Die Materialwissenschaft der Lithium-Ionen-Batterien hat sich weiterentwickelt, wobei neue Materialien für die Komponenten verwendet wurden, nämlich die Anode, die Kathode und den Separator. Da Lithium-Ionen-Batterien wirtschaftlich wichtig sind, werden sie auch in den kommenden Jahren eine Quelle der Innovation bleiben.