Unterschiede zwischen Polymerbatterien und Lithiumbatterien: Was ist besser?

Überblick über Polymer-Lithium-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund des verwendeten Elektrolytmaterials in Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien und Polymer-Lithium-Ionen-Batterien (oder Kunststoff-Lithium-Ionen-Batterien) unterteilt. Beide Typen verwenden die gleichen positiven und negativen Elektrodenmaterialien: Zu den positiven Elektroden gehören Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid, ternäre Materialien oder Lithiumeisenphosphat, während die negative Elektrode in der Regel aus Graphit besteht. Die Funktionsprinzipien sind im Wesentlichen die gleichen. Der Hauptunterschied liegt im Elektrolyten: Flüssige Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten, während polymere Lithium-Ionen-Batterien einen festen Polymerelektrolyten verwenden, der entweder "trocken" oder "gelartig" sein kann. Derzeit verwenden die meisten Polymer-Lithium-Ionen-Batterien einen Gel-Polymer-Elektrolyten.

Klassifizierung

  1. Lithium-Ionen-Batterie mit festem Polymerelektrolyt: Der Elektrolyt ist eine Mischung aus Polymer und Salz, die bei Raumtemperatur eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweist und somit für den Einsatz in der Umgebung geeignet ist.
  2. Gel-Polymer-Elektrolyt-Lithium-Ionen-Batterie: In den festen Polymerelektrolyten werden Zusatzstoffe wie Weichmacher eingearbeitet, um die Ionenleitfähigkeit zu verbessern und die Verwendung bei Raumtemperatur zu ermöglichen.

Im Vergleich zu Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien bieten Polymer-Lithium-Ionen-Batterien, die einen festen Elektrolyten verwenden, Vorteile wie dünnere Profile, anpassbare Formen und variable Größen. Sie können in Aluminium-Kunststoff-Verbundfolien eingeschlossen werden, was die spezifische Kapazität verbessert. Darüber hinaus können polymere Lithium-Ionen-Batterien Polymere als positive Elektrodenmaterialien verwenden, wodurch die spezifische Energie im Vergleich zu den derzeitigen Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien um über 20% erhöht werden kann. Diese Batterien zeichnen sich durch Miniaturisierung, geringe Dicke und geringes Gewicht aus, was zu ihrem wachsenden Marktanteil führt.

Eigenschaften

Polymer-Lithium-Ionen-Batterien haben die folgenden Eigenschaften:

  1. Flexible Formgebung
  2. Höhere spezifische Energie (3x so hoch wie bei Ni-MH-Batterien)
  3. Breites elektrochemisches Stabilitätsfenster (bis zu 5 V)
  4. Ausgezeichnete Sicherheit und Zuverlässigkeit
  5. Längere Zykluslebensdauer bei minimalem Kapazitätsverlust
  6. Hohe Volumeneffizienz

Prinzip der Polymer-Lithium-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien werden unterteilt in Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Polymer-Lithium-Ionen-Batterien (PLB). Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien verwenden Li+-Interkalationsverbindungen als positive und negative Elektroden. Für die positive Elektrode werden in der Regel Lithiumverbindungen wie LiCoO2, LiNiO2 oder LiMn2O4 verwendet, während für die negative Elektrode Lithium-Kohlenstoff-Einlagerungsverbindungen (LixC6) eingesetzt werden. Ein typisches Batteriesystem ist: (-) C | LiPF6-EC+DEC | LiCoO2 (+)

Positive Elektrodenreaktion (Reduktion): Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 (2.1) Negative Elektrodenreaktion (Oxidation): LixC6 - xe- = 6C + xLi+ (2.2) Gesamtreaktion der Batterie: Li1-xCoO2 + LixC6 = LiCoO2 + 6C (2.3)

Das Prinzip der Polymer-Lithium-Ionen-Batterien ist identisch mit dem der Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien, wobei der Hauptunterschied im Elektrolyten besteht. Eine Polymer-Lithium-Ionen-Batterie verwendet einen festen oder gelartigen Polymerelektrolyten oder einen organischen Elektrolyten. Flüssige oder Gel-Elektrolyte in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erfordern eine robuste Sekundärverpackung, um die entflammbaren aktiven Komponenten aufzunehmen, was das Gewicht erhöht und die Größenflexibilität einschränkt.

Lithium-Ionen-Polymerbatterien der nächsten Generation können ultradünn hergestellt werden (bis zu 0,5 mm dünn, was der Dicke einer Karte entspricht) und haben anpassbare Formen und Größen, was die Designflexibilität deutlich erhöht. Dadurch können die Hersteller die Batterien an die spezifischen Produktanforderungen anpassen und die Leistung optimieren. Polymere Lithium-Ionen-Batterien bieten außerdem eine 20% höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sowie eine höhere Kapazität und bessere Umweltverträglichkeit.

Unterschiede zwischen Polymerbatterien und Lithiumbatterien: Was ist besser?

Polymerbatterien sind im Allgemeinen überlegen, da die herkömmlichen Lithiumbatterien nahezu veraltet sind. Lithiumbatterien verwenden metallisches Lithium als negative Elektrode, wobei die frühesten Lithium-Mangandioxid-Batterien über eine Redoxreaktion funktionieren: Li + MnO2 = LiMnO2. Lithium-Metall-Batterien haben in der Regel eine Spannung von etwa 3,0-3,6 V, je nach dem Material der positiven Elektrode. Heutzutage werden Lithium-Metall-Batterien hauptsächlich in Knopfzellen verwendet, da sie weitgehend durch Polymer-Lithium-Ionen- oder Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien ersetzt worden sind. Lithium ist ein hochreaktives Metall, sogar noch reaktiver als Natrium, das leicht Elektronen verliert und oxidiert. An der Luft reagiert Lithium fast augenblicklich, und in der Vergangenheit wurden Lithiumbatterien verwendet, um in der Wildnis Brände auszulösen, indem man sie aufbrach, da das Lithium mit der Luft reagiert und dabei erhebliche Hitze freisetzt, was ihre Gefährlichkeit unterstreicht.

Im Gegensatz zu Lithiumbatterien enthalten Lithium-Ionen-Batterien kein metallisches Lithium. Sie sind darauf angewiesen, dass sich Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode bewegen, um zu funktionieren. Während des Aufladens deinterkalieren Li+-Ionen aus der positiven Elektrode und lagern sich in der negativen Elektrode ein, die dadurch lithiumreich wird; beim Entladen kehrt sich der Prozess um. Polymerbatterien sind eine Art Lithium-Ionen-Batterie, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren, aber einen festen oder Gel-Polymerelektrolyten anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwenden. Dies macht sie sicherer und ermöglicht kleinere, flexiblere Konstruktionen.

Was ist besser?

Lithium-Ionen-Polymerbatterien sind aufgrund ihrer Sicherheit, Flexibilität, höheren Energiedichte und längeren Zykluslebensdauer überlegen. Ihre festen oder Gel-Elektrolyte eliminieren die mit flüssigen Elektrolyten verbundenen Risiken wie Auslaufen oder Entflammbarkeit und ermöglichen dünnere, anpassbare Formen. Während Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer Reaktivität und Sicherheitsbedenken heute auf Nischenanwendungen wie Knopfzellen beschränkt sind, sind Lithium-Ionen-Polymer-Batterien die bevorzugte Wahl für moderne Anwendungen, da sie eine verbesserte Leistung und Designflexibilität bieten.