lithiumlithium--batterienbatterien · gefahrenquellen das gefahrenpotential ist um so größer, je...
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I h lt i h iI h lt i h iInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis Funktionsweise einer Batterie Funktionsweise einer Batterie◦ Das Galvanische Element
◦ Entwicklung
Besonderheiten der Lithium-Ionen-Batterie◦ Lithium als Element
◦ Primäre Lithium-Batterie
◦ Wiederaufladbare Lithium-Batterie
Typen und Anwendungsbereiche Typen und Anwendungsbereiche
Quellen
Das Galvanische ElementDas Galvanische ElementDas Galvanische ElementDas Galvanische Element Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von g p g
chemischer in elektrische Energie
Man unterscheidet 3.Klassen:
Primäre Zelle Sekundäre Zelle Tertiäre Zelle
•Umgangssprachliche: Batterie
•Irreversible
•Umganssprachlich: „Akku“(mulator)
•Reversibel
•Brennstoffzelle
•Energieträger wird extern zugeführt•Irreversible
Entladung•Reversibel, allerdings limitierte
extern zugeführt
Entwicklung der galvanische Entwicklung der galvanische t c u g de ga a sc et c u g de ga a sc eElemente: Elemente:
1799
•Voltasche-Säulen (verschiedene Ausführungen meistens jedoch Zinn und Kupfer)•Primäre Zelle
•Erster Blei-Akkumulator (Blei/Bleidioxid Elektrolyt: d S h f l ä )
1854verd. Schwefelsäure) •Sekundäre Zelle
Ca 1938
•Erste Lithium-Batterie (Lithium-Schwefeldioxid-Batterie)•Primäre ZelleCa.1938 •Primäre Zelle
LithiLithiLithiumLithium
Alkalimetall
Leichtester kirstalliner FeststoffM= 6,941 g/molρ=0,535g/cm³
Niedrige Ionisierungsenergie
Hohes ReduktionspotentialHohes Reduktionspotential
Kleinstes Standardelektrodenpotential
E0 = -3,05 V
PrimärePrimäre--LithiumLithium--IonenIonen--BatterienBatterien Metallisches Lithium als AnodeLi Li+ + e−
PrimärePrimäre LithiumLithium IonenIonen BatterienBatterien
Li Li + e
Mangandioxid als KathodegMnIVO2 + Li+ + e- LiMnIIIO2
Li + MnO2 LiMnO2
Nicht wässriger Elektrolyt zum Transport der Lithium-IonenAprotische organische/anorganische LösungenAprotische organische/anorganische LösungenFestionenleiter
Solid Solid ElectrolyteElectrolyte Interphase (SEI)Interphase (SEI)Solid Solid ElectrolyteElectrolyte Interphase (SEI)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.
LithiumLithium--IonenIonen--BatterienBatterien
Li-Speichermaterialien als Kathode
LithiumLithium IonenIonen BatterienBatterien
p LiCoO2 Graphit mit eingelagertem Lithium als Anode LiCn
Redoxstabiler Elektrolyt zum Transport der Lithium-Ionen
T pen & An end ngen T pen & An end ngen Typen & Anwendungen Typen & Anwendungen
• Li-Metall-Anode und nichtwässrigen Elektrolyt
begann 1960 für Raumfahrt und Militär
• Anwendung in Anwendung in Herzschrittmachern aufgrund geringer Selbstentladung
• Kommerziell verbreiteteste • Kommerziell verbreiteteste Primäre-Lithiumbatterie ist
die Li-MnO2-Zelle (Knopfzelle)
Wiederaufladbare Li Akkus • Wiederaufladbare Li-Akkus im 3-C Markt (Camcorder,
Cellular Phone & Computer)• Forschung im Bereich der
H b id U d Hybrid- Und Elektrofahrezeuge
=)=)
Typ Leerlauf-spannung
Last-spannun
Anwendungspannung spannun
g
LiSOCl 3,7 Volt 3,4 Netzunabhängige Versorgung von 2
, ,Volt
g g g gElektronik im militärischen und
industriellen Bereich
LiMnO2 3,5…3,0Volt
2,9Volt
Vorteil gegenüber Li-batterien mit flüssiger Kathode (LiSOCl2) ist die geringere Passivierung der Anode, g g g ,
wodurch Spannungseinbrüche vermieden werden
Li(CF) 3 2 3 0 3 1 2 5 Leistung wichtiger als Kosten ist Li(CF)n 3,2…3,0 Volt
3,1…2,5Volt
Leistung wichtiger als Kosten ist, beispielsweise im medizinischen Bereich
LiI2 2,8 Volt 2,795Volt
Zur Stromversorgung von Herzschrittmachern
LiFeS2 1,8 Volt 1,5 Volt Anwendung im Fotobereich
Im VergleichIm VergleichIm VergleichIm Vergleich
Primäre Li-Batterie Wiederaufladbare Li Akkus
Hohe Zellspannung Hohe spezifische Energiedichte Weite Temperaturbereiche
Li-Akkus Hochreversibler Li+-
Einlagerungsreaktion Mehr als 1000 Entlade-/lade-Zyklen Weite Temperaturbereiche
-40°C bis +70°C Geringe selbstentladung (>10 Jahre
lagerfähig)i ä h bi 20k h
Mehr als 1000 Entlade /lade Zyklen Entladespannung von 3-4V
(ca. 3 Ni-Cd-Zellen)
Kapazitäten von 5mAh bis 20kAh Geringe Ströme im Mikroampere-
Bereich
GefahrenquellenGefahrenquellenGefahrenquellenGefahrenquellenDas Gefahrenpotential ist um so größer, je höher die Energiedichte
und je reaktiver die Komponenten sind. 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 g , ygeschützt.
So sollte auf jeden Fall ein Betriebszustand der Lithium-Ionen-Zelle vermieden werden, der ein plötzliches Aufbrechen der Filme
begünstigt, Primäre und wiederaufladbare Lithium-Batterienalso z.B. eine Überladung oder Überentladung.
Zusätzlich sind „safety-devices“ wie Sicherheitsventil und PTC-yKeramik in das Batteriegehäuse eingebaut, welche den
Elektronenfluss außerhalb der Zelle vor dem unkontrollierten Durchgehen unterbrechen.
QuellenQuellen
„Allgemeine und Anorganische Chemie“ / Binnewies; Jäckel; Willne Ra ne Canham/ e schienen bei Spekt m Akademische Willner; RaynerCanham/ erschienen bei Spektrum -Akademischer Verlag / 2004
http://www.chempage.de/theorie/galvanischezelle1.jpg http://www.ak-tremel.chemie.uni-http://www.ak tremel.chemie.uni
mainz.de/ChiuZ/Script%20TU%20Graz%20Lithium-Batterien.pdf http://www.uni-
siegen.de/fb8/ac/hjd/lehre/ws1011/aciii_vortraege/01_12_10.pdf
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