Klassifizierung von Lithium-Polymer-Batterien
Lithium-Polymer-Batterien können in drei verschiedene Kategorien unterteilt werden:
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Lithium-Ionen-Batterien mit festem Polymerelektrolyt: Diese Batterien verwenden eine Mischung aus Polymer und Salz als Elektrolyt. Mit ihrer geringen Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur sind sie am besten für Hochtemperaturumgebungen geeignet.
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Gel-Polymer-Elektrolyt-Lithium-Ionen-Batterien: Durch den Einbau von Weichmachern und Zusatzstoffen in den festen Polymerelektrolyten verbessern diese Batterien die Ionenleitfähigkeit, so dass sie bei Raumtemperatur eingesetzt werden können.
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Lithium-Ionen-Batterien mit Polymer-Kathodenmaterialien: Mit leitfähigen Polymeren als Kathodenmaterial bieten diese Batterien die dreifache spezifische Energie im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und sind damit die neueste Generation dieser Technologie.
Im Vergleich zu Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien profitieren Polymer-Lithium-Ionen-Batterien von festen Elektrolyten, die dünnere Profile, anpassbare Bereiche und flexible Formen ermöglichen. Sie vermindern auch Sicherheitsrisiken wie Auslaufen, Verbrennung und Explosionen. Die Verwendung von Aluminium-Kunststoff-Verbundfolien für Gehäuse erhöht die spezifische Kapazität, während der Einsatz von Polymeren als Kathodenmaterial die massenspezifische Energie um über 50% steigern kann. Darüber hinaus weisen diese Batterien eine verbesserte Arbeitsspannung und Lade-Entlade-Zyklenlebensdauer auf, was ihnen den Ruf der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien einbringt.
Prinzip der Lithium-Polymer-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien werden in zwei Typen eingeteilt: Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Polymer-Lithium-Ionen-Batterien (PLIB). Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien sind Sekundärbatterien, bei denen Li+-Interkalationsverbindungen sowohl als positive als auch als negative Elektroden dienen. Die positive Elektrode besteht in der Regel aus Lithiumverbindungen wie LiCoO2, LiNiO2 oder LiMn2O4, während die negative Elektrode aus einer Lithium-Kohlenstoff-Einlagerungsverbindung (LixC6) besteht. Ein typisches System wird wie folgt dargestellt:
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(-) C | LiPF6-EC+DEC | LiCoO2 (+)
Die elektrochemischen Reaktionen laufen wie folgt ab:
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Positive Elektrodenreaktion: LiCoO2 = Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- (2.1)
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Reaktion an der negativen Elektrode: 6C + xLi+ + xe- = LixC6 (2.2)
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Gesamtreaktion der Batterie: LiCoO2 + 6C = Li1-xCoO2 + LixC6 (2.3)
Das Prinzip der Polymer-Lithium-Ionen-Batterien entspricht dem der Flüssig-Lithium-Batterien, wobei der entscheidende Unterschied im Elektrolyten liegt. Die Kernkomponenten der Batterie - positive Elektrode, negative Elektrode und Elektrolyt - enthalten mindestens ein oder mehrere Elemente aus Polymermaterialien. Derzeit werden für die positive Elektrode und den Elektrolyten überwiegend polymere Werkstoffe verwendet. Die positive Elektrode kann aus leitfähigen Polymeren oder anorganischen Verbindungen bestehen, wie sie für Lithium-Ionen-Batterien typisch sind, während der Elektrolyt ein fester oder kolloidaler Polymerelektrolyt oder ein organischer Elektrolyt sein kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Lithium-Ionen-Technologie, die auf flüssigen oder kolloidalen Elektrolyten beruht und eine robuste Sekundärverpackung zur Aufnahme entflammbarer Komponenten erfordert (was das Gewicht erhöht und die Flexibilität einschränkt), entfällt bei der Polymer-Lithium-Ionen-Technologie der überschüssige Elektrolyt. Dies erhöht die Stabilität und verringert die Risiken durch Überladung, Kollisionen, Beschädigung oder Überbeanspruchung.
Anwendungen von Lithium-Polymer-Batterien
Dank ihrer höheren Energiedichte bieten Lithium-Polymer-Batterien eine längere Stromversorgungsdauer. Auf dem Markt für mobile Kommunikation sind Laptops und Smartphones die Hauptverbraucher und treiben die Fortschritte in der Batterietechnologie und -produktion voran. Anbieter von Mobiltelefonen konzentrieren sich auf die Entwicklung von Hightech-Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere prismatische und zylindrische Designs. Die Einführung von Gelelektrolyten unterstützt den Trend zu dünneren Batterien, die für ultradünne Anwendungen wie Chipkarten geeignet sind, während verbesserte Lithium-Ionen-Schutzschaltungen die Sicherheit erhöhen. Lithium-Polymer-Batterien, die hauptsächlich in mobilen Geräten eingesetzt werden, verdrängen aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile zunehmend Nickel-Cadmium-Batterien.
Entwicklung von Lithium-Polymer-Batterien
Die neue Generation von Lithium-Ionen-Polymerbatterien bietet eine bemerkenswerte Designflexibilität mit einer Dicke von nur 0,5 mm (z. B. ATL-Batterien, was der Dicke einer Karte entspricht) sowie anpassbaren Größen und Formen. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es den Herstellern, Batterien zu entwickeln, die auf bestimmte Formen und Kapazitäten zugeschnitten sind, und so die Produktleistung für die Entwickler zu optimieren. Die Einheitsenergie dieser Batterien ist 50% höher als die der derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien, mit erheblichen Verbesserungen bei Kapazität, Lade-Entlade-Eigenschaften, Sicherheit, Betriebstemperaturbereich, Zyklenlebensdauer (über 500 Zyklen) und Umweltverträglichkeit.
