Energiespeicher-Batterie

Wozu werden Lithiumbatterien verwendet?

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Lithium-Ionen-Batterien oder Li-Ion-Batterien sind eine Art von wiederaufladbaren Batterien, die in vielen Bereichen eingesetzt werden, am häufigsten jedoch in der Elektronikindustrie. Li-Ion-Batterien liefern tragbare Elektrizität und versorgen elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und Tablets mit Strom. Lithium-Ionen-Batterien werden auch für die Energieversorgung von medizinischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Elektrowerkzeugen verwendet.Lithium-Batterien haben eine lange Liste realer Anwendungen, die über den Betrieb von Apps auf Ihrem Handy hinausgehen. Von lebensrettenden medizinischen Geräten bis hin zu Luxusyachten - Lithiumbatterien sorgen dafür, dass sowohl das Wesentliche als auch die Annehmlichkeiten des modernen Lebens mit Sicherheit und Zuverlässigkeit funktionieren.

Lithiumbatterien gibt es seit den 1990er Jahren, und sie sind zur ersten Wahl geworden, wenn es um die Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops, Herzschrittmachern, Elektrowerkzeugen, lebensrettenden medizinischen Geräten und Scootern geht - einer der Gründe, warum die Lithium-Ionen-Batterietechnologie so beliebt geworden ist, ist, dass sie in verschiedenen praktischen Anwendungen eingesetzt werden kann. Lesen Sie weiter, wenn Sie mehr über einige der Verwendungsmöglichkeiten dieser wiederaufladbaren Batterien erfahren möchten, die mit der Technologie der metallischen Lithium-Ionen-Zellen hergestellt werden.

Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien, die jedoch im Allgemeinen aus den folgenden Komponenten bestehen:

  • Kathode oder die positive Elektrode: Quelle der Lithium-Ionen, die die Kapazität und Spannung der Batterie bestimmt
  • Anode oder die negative Elektrode: Abschnitt, der Ionen speichert und über eine externe Einheit abgibt
  • Elektrolyt: Medium, das Ionen zwischen Kathode und Anode transportiert
  • Separator: Barriere, die verhindert, dass Kathode und Anode miteinander in Kontakt kommen

Diese Hauptkomponenten müssen in einer Li-Ion-Batterie vorhanden sein, damit sie ordnungsgemäß funktioniert.

Was sind Lithium-Batterien?

Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie verwendet Lithium-Metall-Ionen als Schlüsselkomponente der Elektrochemie.

Lithium-Metall-Ionen sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihres geringen Gewichts eine beliebte Wahl für Batterien geworden. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die Lithium-Ionen-Batterie, die in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, von Smartphones bis zu Laptops, verwendet wird. Eine andere Art, die Lithium-Eisenphosphat-Batterie, bietet eine größere Stabilität und eine längere Lebensdauer. Dadurch eignen sie sich gut für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und großen Energiespeichersystemen.

Lithiumbatterien bestehen im Wesentlichen aus vier Hauptkomponenten.

  • Material der Kathode: Das für die positive Elektrode verwendete Material bestimmt die Spannung und die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie und ist gleichzeitig die Quelle der Lithium-Ionen. Es gibt verschiedene Kathodenmaterialien. Bei einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFEPO4) wird beispielsweise Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial verwendet.
  • Anodenmaterial: Wenn der Lithium-Ionen-Akku geladen wird, fließt der elektrische Strom aus einem externen Stromkreis durch das Anodenmaterial der negativen Elektrode. Es ist auch der Ort, an dem die Lithium-Ionen gespeichert werden.
  • Elektrolyt: Dieser besteht aus Zusatzstoffen, Lösungsmitteln und Salzen. Er ist die Leitung zwischen Kathode und Anode.
  • Abscheider: Er trennt das Anoden- und das Kathodenmaterial.

Die sieben wichtigsten Verwendungszwecke für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus

1. Notstromversorgung oder UPS (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)

Eine Lithiumbatterie als Notstromversorgung oder USV schützt Sie vor herkömmlichen Stromausfällen oder Instabilitäten. Sie unterscheidet sich von einem Generator oder einer anderen Notstromversorgung dadurch, dass sie nahezu sofort Strom liefert, um die angeschlossenen Geräte zu betreiben (oder sicher abzuschalten). Notstrom-Backup-Systeme kommen kritischen Geräten zugute: Computern, Kommunikationstechnik und Medizintechnik.

2. Zuverlässiger Strom für Elektro- und Wohnmobile

Lithiumbatterien bieten eine zuverlässige, stabile und lang anhaltende Stromversorgung - die beste Lösung, um bequem und sicher abgelegene Orte zu erkunden. Mit einer Lebensdauer von über zehn Jahren liefern Lithiumbatterien Strom für lange Reisen und verlieren zwischen den Einsätzen nur wenig Energie. Leichte Lithiumbatterien versorgen Ihr Wohnmobil oder Elektrofahrzeug mit erhöhter Effizienz aufgrund des geringeren Gewichts und der geringeren Größe im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien.

3. Zuverlässige und leichte Marineleistung

Die Vermischung von Wasser und Strom birgt das Potenzial für zahlreiche Probleme. Mit einer Lithium-Batterie können Sie sich auf den Spaß auf dem Wasser konzentrieren und müssen sich keine Sorgen machen, ob Ihr Bootsmotor am Ende eines langen Tages anspringt.

Wenn Sie Ihr Boot mit einer langlebigen Lithium-Batterie ausstatten, können Sie jahrelang zuverlässig den Motor starten - und das bei einem Bruchteil des Gewichts einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie.

Ganz gleich, ob Sie einen kleinen Trolling-Motor mit Strom versorgen oder alle Annehmlichkeiten einer Yacht mit Strom versorgen müssen, Lithium-Batterien sind leistungsstark und zuverlässig.

4. Solarstromspeicher

Die Nutzung von Solarenergie in den Vereinigten Staaten ist von 2013 bis 2014 um 30% gestiegen. Selbst in der Wüste gibt es Tage, an denen die Sonne nicht scheint, oder Zeiten, in denen Ihre Solaranlage repariert werden muss. Vermeiden Sie es, im Dunkeln zu stehen - mit einer Lithium-Batterie für die Speicherung von Solarstrom.

Wiederaufladbare Lithiumbatterien eignen sich am besten für Solarmodule, da sie sich sehr schnell aufladen. Solarmodule erzeugen einen geringen Ladewiderstand, was für Lithiumbatterien erforderlich ist. Außerdem laden sich Lithium-Batterien schnell auf - so können Sie das Potenzial der Solarstromspeicherung aus jedem Tag Sonnenlicht maximieren.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Sie Ihren Energiebedarf berechnen und die optimale Batterie für Ihre Anwendung und Nutzung finden können, besuchen Sie unser Lithium-Batterie-Auswahltool.

5. Überwachungs- oder Alarmsysteme an abgelegenen Orten

Lassen Sie nicht zu, dass das Fehlen eines Stromkabels Ihre Sicherheit einschränkt. Müssen Sie abgelegene Bereiche, einen Fuhrpark, Baustellen oder einen vorübergehenden Standort überwachen, an dem die Installation eines permanenten Alarmsystems nicht möglich ist? Sichern Sie jeden dieser schwierigen Standorte mit einem Überwachungs- oder Alarmsystem, das mit einer Lithiumbatterie betrieben wird.

Wiederaufladbare Lithiumbatterien sind ideal für Fernüberwachungssysteme, da sie eine lange Lebensdauer haben, klein sind und in der Zeit, in der Ihr System nicht aktiv ist, keine Energie durch Selbstentladung verlieren. Lithium-Batterien haben eine 10-mal geringere Selbstentladung als Blei-Säure-Batterien, was sie ideal für Situationen macht, in denen sie nicht ständig im Einsatz sind.

6. Persönliche Freiheit mit Mobilitätshilfen

Moderne Technik hat das tägliche Leben für Menschen mit Mobilitätseinschränkungen erleichtert. Von elektrischen Rollstühlen bis hin zu Treppenliften sind zahlreiche Personen auf zuverlässige Mobilitätstechnologie angewiesen, um ein unabhängiges Leben zu führen. Leichte Lithiumbatterien sind die ideale Wahl für Mobilitätshilfen, da sie eine individuelle Größenanpassung, eine längere Lebensdauer, schnelles Aufladen, eine geringe Selbstentladung und eine längere Laufzeit als Blei-Säure-Batterien bieten.

7. Tragbare Kraftpakete, die Ausfallzeiten beseitigen

Wiederaufladbare Lithiumbatterien sind bekannt für die Stromversorgung unserer Telefone und der neuesten leichten Laptop-Computer. Lithiumbatterien sind leichter und kleiner als Blei-Säure-Batterien. Sie vertragen auch Bewegungen und Temperaturschwankungen und behalten ihre Energieversorgung während des Gebrauchs bei.

Sicherheits- und Umweltgefahren der Li-Ion-Batterie

Trotz ihrer weiten Verbreitung und energieeffizienten Speicherung ist die Lithium-Ionen-Batterie nicht perfekt; bei unsachgemäßer Herstellung, Verwendung und Lagerung kann sie ein Sicherheitsrisiko darstellen. Da die Batterie entflammbare Elektrolyte enthält, neigen Lithium-Ionen-Batterien dazu, unter Druck zu geraten und zu explodieren, wenn sie strukturelle Schäden erleiden. Wenn Li-Ion-Batterien zu schnell aufgeladen werden, besteht außerdem die Gefahr, dass sie kurzgeschlossen werden und eine Explosion verursachen.

Aus diesem Grund und wegen der weit verbreiteten Verwendung in den meisten kommerziellen Produkten sind die Sicherheitsstandards und Sicherheitstests für Lithium-Ionen-Batterien viel strenger als für andere Batterietypen. Die entflammbaren Elektrolyte in Li-Ion-Batterien bedeuten, dass eine unsachgemäße Herstellung oft zu katastrophalen Ergebnissen führen kann.

Li-Ion-Batterien sind auch anfällig für Schäden, wenn sie über ihre Spannungsgrenzen hinaus aufgeladen werden. Normalerweise hat ein Lithium-Ionen-Akku einen Spannungsbereich zwischen 2,5 und 3,65 Volt (oder bis zu 4,35 Volt, je nach Zusammensetzung der Zelle). Eine Überschreitung dieser Spannung durch unsachgemäßes Laden kann zu einer vorzeitigen Alterung der Batteriezellen führen, was im besten Fall bedeutet, dass die Batterie die Energie weniger effizient speichert, oder im schlimmsten Fall, dass die reaktiven Komponenten in den Zellen explodieren.

Wenn sie zu lange gelagert werden, können Li-Ion-Batterien auch vorzeitig degradieren, was bedeutet, dass sie nicht in der Lage sind, ihren normalen Spannungsbereich zu erreichen, wenn sie schließlich verwendet werden. Obwohl Li-Ion-Batterien "weniger giftige" Metalle wie Eisen, Nickel, Kupfer und Kobalt enthalten (und als solche eingestuft sind), können ihre Herstellung und Entsorgung immer noch eine erhebliche Gefahr für die Umwelt darstellen.

Während die metallischen Komponenten von Lithium-Ionen-Batterien recycelbar sind und sogar für die Verbrennung und Deponierung geeignet sind, ist ihre Wiederverwendung und Reproduktion in anderen Produkten ein langwieriger und teurer Prozess, der die Hersteller dazu veranlasst, auf das Recycling zu verzichten und stattdessen einfach neue Komponenten herzustellen.

Typen von Lithium-Ionen-Batterien

Die Lithium-Ionen-Batterien werden auf der Grundlage der in ihrer Chemie verwendeten aktiven Materialien klassifiziert. Jede Art von Lithium-Ionen-Akku hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Grundsätzlich gibt es 6 Arten von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt, sie sind:

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder LFP-Batterie

Phosphat wird als Kathode und Graphit als Anode verwendet. LFP bietet eine gute thermische Stabilität und Leistung.

Verwendungszwecke: LFPs sind die am häufigsten verwendeten Lithium-Ionen-Batterien, die die herkömmlichen Bleisäurebatterien ersetzen.

Vorteile: Sicherheit, Haltbarkeit und lange Lebensdauer.

Nachteilig: Die Leistung leidet bei niedrigen Temperaturen und sie haben eine niedrige spezifische Energie.

Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)

Diese Batterien haben eine hohe spezifische Energie, aber eine geringe spezifische Leistung.

  • Verwendungszwecke: Kleine tragbare elektronische Geräte wie Handys, Laptops, Kameras usw.
  • Vorteile: LCO-Batterien liefern aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie über einen langen Zeitraum hinweg Strom.
  • Nachteilig: Kostspielig, kürzere Lebensdauer, nicht für hohe Belastungen geeignet.

Lithium-Magnesium-Oxid (LMO)

LMOs verwenden MgO2 als Kathodenmaterial, was den Ionenfluss verbessert.

  • Verwendungszwecke: Tragbare Elektrowerkzeuge, Elektro- und Hybridfahrzeuge, medizinische Instrumente.
  • Vorteile: Schnelles Laden, hohe Stromabgabe, bessere Thermostabilität, Sicherheit.
  • Nachteile: Die kurze Lebensdauer ist der größte Nachteil der LMO.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC)

Die Kombination von Nickel, Mangan und Kobalt führt zu einer stabilen Chemie mit hoher spezifischer Energie.

  • Verwendungszwecke: Elektrowerkzeuge, elektrische Antriebe für E-Bikes und einige Elektrofahrzeuge.
  • Vorteile: Hohe Energiedichte, längerer Lebenszyklus und geringere Kosten.
  • Nachteilig: Geringere Ausgangsspannung als bei Batterien auf Kobaltbasis.

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA)

Kann über einen längeren Zeitraum eine hohe Stromstärke liefern.

  • Verwendungszwecke: Am beliebtesten auf dem Markt für Elektrofahrzeuge, z. B. Tesla Cars.
  • Vorteile: Hohe Energie bei angemessener Lebensdauer und hohe Belastbarkeit.
  • Nachteilig: NCA-Batterien sind teuer und vergleichsweise weniger sicher.

Vorteile und Nachteile der Lithium-Ionen-Batterie

Heutzutage werden Lithium-Ionen-Batterien immer beliebter und verdrängen die herkömmlichen Batterietypen in rasantem Tempo. Um die beste Leistung aus einer Lithium-Ionen-Batterie zu erhalten, ist es sehr wichtig, dass wir nicht nur die Vorteile, sondern auch die Nachteile dieser Batterietechnologie verstehen.

Vorteile

  • Hohe Energiedichte: Dies ist der wichtigste Vorteil von lib. Die Energiedichte ermöglicht es der Batterie, zwischen den Ladevorgängen länger Strom zu liefern, und macht es außerdem möglich, dass sie in verschiedene Größen passt.
  • Selbstentladung: LIBs haben eine vergleichsweise sehr niedrige Selbstentladungsrate im Vergleich zu anderen Batterietypen. Die Selbstentladungsrate einer LIB beträgt etwa 4,5% in den ersten 4 Stunden, danach sinkt sie drastisch auf 1 bis 2% pro Monat.
  • Geringer Wartungsaufwand: Einerseits erfordern andere Batterien wie Blei-Säure-Batterien ein regelmäßiges Nachfüllen und die Nickel-Cadmium-Batterie eine regelmäßige Entladung, andererseits benötigen die LIBs keine aktive Wartung.
  • Erhältlich in verschiedenen Größen: Aufgrund ihrer Verfügbarkeit in verschiedenen Größen haben die LIBs ein breites Anwendungsspektrum und können daher nahezu universell eingesetzt werden, von Smartwatches und Mobiltelefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen und Luft- und Raumfahrttechnik.
  • Hochspannung: LIBs liefern bis zur Entladung eine konstante Spannung von 3,6 Volt, während andere Batterien 1,5 bis 2 Volt pro Zelle liefern. Dies ermöglicht eine hohe Spannungserzeugung pro Zelle, und eine einzige Zelle kann den Energiebedarf eines Smartphones decken.

Benachteiligungen

  • Erfordernis eines Batteriemanagementsystems: Die LIBs benötigen eine eingebaute Schutzschaltung, um den Betrieb der Batterie innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen zu gewährleisten. Diese Batterien müssen auch vor Überladung und zu starker Entladung geschützt werden.
  • Alterung: Dies ist ein großer Nachteil von LIBs, und die Alterung ist nicht nur zeitabhängig, sondern hängt auch von der Anzahl der Lade-/Entladezyklen ab. Die LIBs altern auch unabhängig davon, ob sie in Gebrauch sind oder nicht.
  • Kosten: Normalerweise liegen die Herstellungskosten einer LIB-Batterie 40% über denen einer Nickel-Cadmium-Batterie. Daher steigen die Gesamtkosten für die Massenproduktion von Konsumgütern. Dies lässt sich gut an der Tatsache ablesen, dass Elektrofahrzeuge viel teurer sind als ihre auf fossilen Brennstoffen basierenden Varianten.
  • Umweltauswirkungen: Die Gewinnung von Lithium und der Herstellungsprozess von LIBs haben negative Auswirkungen auf die Umwelt, und die Tatsache, dass dabei giftige Metalle wie Nickel, Kobalt, Magnesium usw. verwendet werden, macht die Situation noch schlimmer.

Häufig gestellte Fragen:

Wofür werden Lithiumbatterien am häufigsten verwendet?

Lithium-Ionen-Batterien sind wiederaufladbar und werden in Vaping-Geräten, vielen Geräten der Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen, Tablets und Laptops, E-Bikes, elektrischen Zahnbürsten, Werkzeugen, Hoverboards, Scootern und als Solarstromspeicher verwendet.

Warum ist Lithium so leistungsstark?

Die Lithium-Ionen sind klein genug, um sich durch einen mikrodurchlässigen Separator zwischen Anode und Kathode bewegen zu können. Unter anderem wegen der geringen Größe von Lithium (nach Wasserstoff und Helium die drittgrößte) können Lithium-Ionen-Batterien eine sehr hohe Spannung und Ladungsspeicherung pro Massen- und Volumeneinheit aufweisen.

Sind Lithium-Ionen-Batterien ein Umweltproblem?

Ja, es gibt bestimmte Umweltprobleme im Zusammenhang mit der Lithium-Ionen-Batterie, einschließlich der Umweltschäden durch den Abbau von Lithium-Metall und auch die unsachgemäße Entsorgung der Batterie kann zum Auslaufen und Auslaugen von giftigen Chemikalien in den Boden führen, was eine Umweltverschmutzung verursacht.

Warum versagen Lithium-Ionen-Batterien?

Die Überhitzung der Batterie ist die Hauptursache für das Versagen von Lithium-Ionen-Batterien. Durch Überhitzung steigt die Temperatur der Batterie an, was manchmal zu einer Explosion führt.

Wie hoch ist die erwartete Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie?

Bei ordnungsgemäßer Pflege und Wartung kann der Lithium-Ionen-Akku etwa fünf Jahre oder dreitausend Ladezyklen halten.

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