Wie eine Lithiumbatterie funktioniert

Sie sind mehrmals auf die Abkürzung Li-Ion gestoßen, als Sie sich einige der auf Ihren Geräten verwendeten Batterien angesehen haben: Nach einer kurzen Suche im Internet haben Sie festgestellt, dass sich diese Abkürzung auf Lithium-Ionen-Batterien bezieht . In diesem Zusammenhang müssen Sie wissen, dass die Einführung der oben genannten Technologie einen sehr wichtigen Meilenstein in der Welt der Elektronik darstellt: Dank Li-Ionen-Batterien ist es bis heute möglich, Geräte mit kleinen Abmessungen und guten Eigenschaften zu haben Autonomie und mit einem angemessenen Sicherheitsspielraum.

Wenn Sie jedoch hier sind, möchten Sie wahrscheinlich mehr Klarheit darüber erhalten, wie eine Lithiumbatterie funktioniert und welche Vor- und Nachteile eine solche Technologie hat. Wie sagt man? Habe ich geraten Dann ist dies genau der richtige Ort für Sie: In den folgenden Balken dieser eingehenden Studie werde ich auf einfache Weise erklären, welche Dynamik der Funktionsweise von Li-Ionen-Batterien zugrunde liegt Sie erhalten einen umfassenden Überblick über ihre Lade- und Entladevorgänge.

Machen Sie es sich also bequem und lesen Sie alles, was ich Ihnen zu diesem Thema erklären muss, ohne länger zu warten: Ich garantiere Ihnen, dass Sie am Ende des Lesens dieses Handbuchs nicht nur eine sehr klare Vorstellung von dem Thema haben werden. Sie können aber auch Ihren interessierten Freunden alles erklären. Trotzdem bleibt mir nichts mehr zu tun, außer ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen!

Was ist eine Lithiumbatterie?

Grundsätzlich besteht eine Lithiumbatterie (oder vielmehr eine Lithiumionenbatterie oder ein Li-Ion) aus einer Reihe chemischer Komponenten, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind und über zwei Metallenden mit der Außenseite verbunden sind, von denen eines positiv und das andere negativ ist.

Wenn diese beiden Enden miteinander in Kontakt gebracht werden (durch ein leitfähiges Material), wird eine Reaktion ausgelöst, die bewirkt, dass sich die inneren Partikel der Batterie kontinuierlich vereinigen und trennen, um andere chemische Elemente, sogenannte Ionen , zu erzeugen .

Insbesondere sind die Ionen für die Erzeugung der Energie zur Stromversorgung der Batterie verantwortlich, während die Elektronen für die Erzeugung der Elektrizität verantwortlich sind, die für den Betrieb des Geräts erforderlich ist, an das sie angeschlossen sind (Smartphone, Tablet, Notebook usw.).

Lithiumbatterien werden aufgrund ihrer besonderen strukturellen und chemischen Eigenschaften derzeit sowohl in der Elektronik (Smartphones, Tablets, Notebooks, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Wearables usw.) als auch in sehr unterschiedlichen Bereichen wie Hybrid- und Hybridbatterien weit verbreitet eingesetzt elektrische Autos.

Ziel dieses Handbuchs ist es, in einfachen Worten das Kriterium für den Betrieb von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien und die Gründe für die häufigsten Probleme zu erläutern.

Eine kurze Geschichte der Lithiumbatterien

Die Geschichte der Lithiumbatterien beginnt 1912 , als Gilbert N. Newis den ersten Akkumulator dieses Typs erfand : Es handelte sich um nicht wiederaufladbare Zellen, die jedoch dankenswerterweise viel höhere Spannungen liefern konnten als die anderen in dieser Epoche verwendeten Batterien auf das Vorhandensein von Lithium.

Diese Erfindung wurde jedoch erst 1970 als besonders nützlich angesehen, dem Jahr, in dem es dem Chemiker MS Whittingham gelang, einen Prototyp einer wiederaufladbaren Batterie unter Verwendung von Lithium zu entwickeln.

Selbst diese Erfindung fand jedoch nicht den gewünschten Erfolg: Da Lithium ein Leichtmetall ist, aber äußerst instabil, trugen die damals entworfenen Batterien ein hohes Explosionsrisiko mit sich; Aufgrund der Gefahren, die mit der Manipulation von Lithium in diesem Sektor und dem Zusammenbruch des Ölpreises (Grundelement für alle zu diesem Zeitpunkt verwendeten wiederaufladbaren Batterien) verbunden sind, wurde die Entwicklung wiederaufladbarer Lithiumbatterien eingestellt.

Dies bis 1991, als JB Goodenough den ersten Li-Ion-Akku für Sony entwickelte , das Baumaterial der Kathode änderte und deren Leistung erhöhte; Das Projekt wurde im selben Jahr von Akira Yoshino weiter perfektioniert, der es schaffte, Lithium in reiner Form vollständig aus wiederaufladbaren Batterien zu entfernen und es durch Lithiumionen zu ersetzen, dh durch Partikel, die sich nach a vom Lithiumatom "ablösen" können chemische Reaktion.

Dieser letzte Schritt war von grundlegender Bedeutung für die Sicherheit der bislang am häufigsten verwendeten wiederaufladbaren Batterien der Welt: ab diesem Jahr dank kontinuierlicher Studien zur chemischen Struktur der Batteriekomponenten und der schrittweisen Einführung von Sicherheitsmechanismen, die mit Lithium-Ionen-Batterien verbundenen Risiken wurden gegenüber einer Erhöhung der Leistung, der Energiespeicherkapazität und der Dauer im Laufe der Zeit extrem verringert.

Hinweis : Whittingham, Goodenough und Yoshino erhielten 2019 den Nobelpreis für Chemie, genau für die Entwicklung von Li-Ionen-Batterien.

Wie eine Lithiumbatterie funktioniert

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einem oder mehreren elektronischen Teilen, die Energie erzeugen können, sogenannte Zellen . Jede Zelle besteht hauptsächlich aus drei Elementen: einer positiven Elektrode, die als Kathode bezeichnet wird ; eine negative Elektrode, die Anode genannt wird ; und eine Chemikalie, genannt Elektrolyt .

Batterien dieses Typs sind im Allgemeinen wiederaufladbar und können daher sowohl Energie akkumulieren (während des Ladens) als auch abgeben (während des Entladens): Dieser Mechanismus wird durch den Fluss von Ionen und Elektronen ermöglicht, d. H. Kleinen Teilchen, die sie von den Atomen "ablösen" , die von der Anode zur Kathode - und umgekehrt - durch den Elektrolyten wandern.

Lassen Sie mich die Dynamik dieses Mechanismus besser erklären. Wenn die Batterie Energie sammelt und sich in der Ladephase befindet , "liefert" die Kathode einen Teil ihrer Lithiumionen, die sich nach dem internen Kreislauf durch das Elektrolytmaterial bewegen und sich in der Anode ansammeln , in der sie fließen kontinuierlich Energie erzeugen und negativ geladen sein. Wenn die Lithiumionen von der Kathode aufhören, durch das Elektrolytmaterial zu zirkulieren, stoppt der Prozess und die Batterie wird geladen.

Wenn andererseits die Batterie Energie abgibt und sich in der Entladungsphase befindet , tritt der umgekehrte Prozess auf: Die Ionen, die dem externen Stromkreis jeder Zelle in der entgegengesetzten Richtung folgen, zirkulieren von der Anode zur Kathode und liefern Energie an diese die Batterie (und an das angeschlossene Gerät); Wenn sie ihr Ziel erreichen, verbinden sie sich mit den in der Kathode vorhandenen Elektronen und lagern sich dort ab. Wenn die Anode keine Lithiumionen mehr freisetzen muss, stoppt der Prozess: Die Batterie ist vollständig entladen.

Es ist genau die Entfernung, die die Lithiumionen zurücklegen, die die zum Laden und Entladen einer Batterie erforderliche Zeit bestimmt: Da die erste der beiden Phasen in einem internen Stromkreis und die andere in einem externen "Pfad" stattfindet, versteht es sich von selbst Das Laden des Akkus ist viel schneller als das Entladen.

Wie Sie sicherlich wissen, ist die Autonomie eines Lithium-Ionen-Akkus jedoch sehr unterschiedlich, abhängig von der Art des Geräts und den durchgeführten Aktivitäten!

Jede Zelle implementiert auch Sicherheitsmechanismen, um Probleme aufgrund von Überhitzung zu reduzieren: Wenn die Zelle und / oder die Batterie während der Ladephase eine zu hohe Temperatur erreichen, wird der Energiefluss sofort unterbrochen und kann folglich nicht mehr berechnet werden.

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien von demselben Funktionsprinzip dominiert werden, sind sie nicht alle gleich: Es gibt tatsächlich verschiedene Typen und Eigenschaften, die sich hauptsächlich aufgrund der Materialien unterscheiden, aus denen Anode, Kathode und Elektrolyt bestehen.

Beispielsweise sind die meisten Batterien in Smartphones, Tablets, Notebooks und Powerbanks vom Typ Lithium- Kobaltoxid / LCO (oder LiCoO2 ): Sie bestehen aus einer Kobaltoxidkathode und einer Graphitanode. Die Batterien von Elektroautos verwenden dagegen die chemische Kombination Lithium, Nickel, Mangan und Kobaltoxid / LiNMC ( LiNiMnCoO2 ): Die Kathode besteht in diesem Fall aus Nickel, Mangan und Kobalt. Die Kathode, die in den Batterien vorhanden ist, die für moderne unterbrechungsfreie Stromversorgungen verwendet werden, verwendet andererseits eine Lithium- und Manganoxidkathode , im Allgemeinen unter Zusatz von Kobalt .

Vor- und Nachteile von Lithiumbatterien

Die Einführung von Lithium-Ionen-Batterien hat der Welt der Elektronik mehrere Vorteile gebracht. Im Gegensatz zu Nickel-Cadmium-Batterien (oder NiCd, ausgesprochen "Nicad") leiden Li-Ionen-Batterien zunächst nicht unter dem Memory-Effekt : Wenn Sie noch nie davon gehört haben, ist es ein Phänomen, das "eine Batterie glauben macht" es ist weniger geräumig als sein Ausgangszustand.

Der Memory-Effekt ist bei NiCd-Akkus extrem häufig und wird „aktiviert“, wenn der Akku aus irgendeinem Grund aufgeladen wird, wenn sich noch Restenergie darin befindet. Um den Normalzustand wiederherzustellen, müssen Sie den Akku vollständig entladen und sofort wieder aufladen.

Ein weiterer großer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, dass sie im Vergleich zu der Menge an Energie, die sie speichern können, relativ leicht sind . Für den Bau von Batterien dieses Typs ist jedoch nicht die Verwendung von Cadmium vorgesehen , einem äußerst giftigen Material, das noch heute, wenn auch in viel geringerem Maße als im letzten Jahrzehnt, für den Bau von wiederaufladbaren Batterien verwendet wird.

Nicht alles ist jedoch "Rosen und Blumen": Obwohl im Laufe der Zeit Sicherheitsmechanismen implementiert wurden, die die Möglichkeit von Überhitzung und daraus resultierenden Bränden minimieren können, müssen Sie immer auf Wärme achten , da die Lithiumbatterien stark darunter leiden Effekt: Der Akku sollte immer auf Raumtemperatur gehalten werden und die Zellen sollten nicht aufgeladen werden, wenn das Gerät bereits heiß ist, da es aufgrund der Schwierigkeit, Energie zu "halten", zu Leistungseinbußen kommen kann.

Darüber hinaus sollten die Batterien mit einer geeigneten Spannung aufgeladen werden : Die Verwendung zu "leistungsstarker" Ladegeräte kann die Lebensdauer und Effizienz jeder Zelle erheblich verkürzen und gefährliche Gasansammlungen verursachen (die natürlich während der Lade- / Entladephasen freigesetzt werden). , die plötzliche und gefährliche Explosionen verursachen können .