Lithium-Ionen- oder Li-Ionen-Batterien sind eine Art wiederaufladbarer Batterie, die in vielen Anwendungen verwendet wird, am häufigsten jedoch in der Elektronikindustrie. Li-Ionen-Batterien liefern tragbaren Strom und versorgen elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und Tablets mit Strom. Li-Ionen-Batterien werden auch zur Energieversorgung von medizinischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Elektrowerkzeugen verwendet.

Lithium ist die primäre Quelle für Li-Ionen-Akkus, da es im Vergleich zu anderen Mineralien stabiler und sicherer beim Laden und Entladen von Energie ist.

Abgesehen von der Elektronikindustrie ist Lithium ein Grundnahrungsmittel im Bergbau, in der Fertigung, in der Energiespeicherung und in vielen anderen Bereichen. Die Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien kann aufgrund ihrer vielfältigen industriellen Anwendungen nicht hoch genug eingeschätzt werden: Es ist durchaus möglich, dass es sich um eine der wichtigsten Entwicklungen in der modernen Welt handelt, ohne die das 21.Jahrhundert nicht möglich gewesen wäre.

Lithium-Ionen: Eine kurze Geschichte

Die Lithium-Ionen-Batterie hat ihre Anfänge in den 1970er Jahren, als der britische Chemiker M. Stanley Whittingham vorschlug, einen Energiespeicher mit Lithiumzellen zu schaffen. Die ersten Lithiumbatterien verwendeten Lithium- und Titan (IV) -Sulfidmetalle, was während des Betriebs aufgrund der teuren Produktionskosten von Titan (IV) -Suflid (Titansulfidmetalle kosteten in den 70er Jahren rund 1.000 US-Dollar) unpraktisch war, ganz zu schweigen von seinen toxischen Nebenprodukten bei Exposition gegenüber Schwefelwasserstoffverbindungen.

In den meisten der 70er und 80er Jahre haben verschiedene Wissenschaftler und Ingenieure Pionierarbeit geleistet und die Lithiumbatterie perfektioniert. Im Jahr 1979 Wissenschaftler John Goodenough, Ned A. Godshall et.al ., und Koichi Mizushima schuf und perfektionierte in getrennten Versuchen das Lithium-Kobaltdioxid oder LiCoO2. Diese Batterie ebnete den Weg für neuartige wiederaufladbare Batterien, die 1985 zur Grundlage für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie wurden, als Akira Yoshino einen Prototyp einer Batterie zusammenstellte, die sowohl Lithiumionen als auch Lithium-Kobaltdioxid als Elektroden der Batterie verwendete.1991 begannen die japanischen Unternehmen Asahi Kasei und Sony mit der Massenproduktion der Lithium-Ionen-Batterie und der Anwendung auf viele ihrer elektronischen Produkte, wobei in den 90er Jahren und bis heute immer mehr Wissenschaftler und Ingenieure die Technologie perfektionierten. Im Jahr 2019 erhielten die Wissenschaftler Stanley Whittingham, Akira Yoshino und John Goodenough gemeinsam den Nobelpreis für Chemie, insbesondere für ihre Arbeit bei der Entwicklung von Li-Ionen-Batterien.

Zusammensetzung der Li-Ionen-Batterie

Li-Ionen-Batterien gibt es in verschiedenen Ausführungen, aber sie bestehen im Allgemeinen aus den folgenden Komponenten:

• Kathode oder die positive Elektrode: Quelle von Lithium-Ionen, die die Batteriekapazität und -spannung bestimmt
• Anode oder die negative Elektrode: Abschnitt, der Ionen über eine externe Einheit speichert und freigibt
• 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-Ionen-Batterie vorhanden sein, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Tragbare Power Packs

Wie oben erwähnt, wiederaufladbare li-ion batterien bieten tragbare strom, dass powers elektronik gadgets. Li-ion batterien sind leicht und können kleiner als andere batterie arten, die macht sie bequem zu tragen um.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Li-Ionen-Batterien bieten Notstromversorgung bei Stromausfall oder -schwankungen. Bürogeräte wie Computer sowie IT-Server müssen im Falle einer Stromunterbrechung weiterlaufen, um Datenverlust zu vermeiden. Notstrom wird auch in der Medizin- oder Gesundheitsbranche benötigt, um eine konsistente Stromversorgung lebensrettender medizinischer Geräte zu gewährleisten.

Elektrofahrzeuge

Die Automobilindustrie stellt eine Nachfrage nach Li-Ionen-Akkupacks dar, um Stromquellen für Elektro-, Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge bereitzustellen. Da Li-Ionen-Akkus große Energiemengen speichern und viele Male aufgeladen werden können, bieten sie eine bessere Ladekapazität und eine längere Lebensdauer.

Marine Fahrzeuge

Li-Ion batterien weiterhin entstehen als alternative zu benzin und blei-säure batterien in versorgung arbeit oder schlepper boote und freizeit boote wie geschwindigkeit boote und yachten. Li-Ionen-Batterien bieten eine leise und effiziente Stromquelle und können auch verwendet werden, um Geräte im Boot oder in der Yacht mit Strom zu versorgen, während sie sich im Dock befinden.

Persönliche Mobilität

Lithium-Ionen-Batterien werden in Rollstühlen, Fahrrädern, Rollern und anderen Mobilitätshilfen für Personen mit Behinderungen oder Mobilitätseinschränkungen verwendet. Im Gegensatz zu Cadmium- und Bleibatterien enthalten Lithium-Ionen-Batterien keine Chemikalien, die die Gesundheit einer Person weiter schädigen könnten.

Solarenergiespeicher

Li-Ionen-Batterien werden auch zur Speicherung von Sonnenenergie in Sonnenkollektoren verwendet, da sie schnell aufgeladen werden können. Sie sind leichter, kompakter und können im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien höhere Energiemengen aufnehmen.

Die oben genannten Anwendungen sind nur einige der vielen Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien. Da Lithium-Ionen-Batterien kompakt, tragbar und mit Schnellladung und großer Speicherkapazität ausgestattet sind, bleibt die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien bestehen oder kann in Zukunft sogar steigen.

Sicherheits- und Umweltgefahren der Li-Ionen-Batterie

Trotz seiner weit verbreiteten Verwendung und energieeffizienten Lagerung ist der Li-Ionen-Akku nicht perfekt. Da die Batterie brennbare Elektrolyte enthält, neigen Li-Ionen-Batterien dazu, bis zur Explosion unter Druck zu geraten, wenn sie strukturelle Schäden erleiden. Bei zu schnellem Laden können Li-Ionen-Akkus auch kurzschließen und eine Explosion verursachen.Aus diesem Grund und aufgrund seiner weit verbreiteten Verwendung in den meisten kommerziellen Produkten sind die Sicherheitsstandards und Sicherheitstests von Li-Ionen-Batterien viel strenger als bei anderen Batterietypen. Die brennbaren Elektrolyte in Li-Ionen-Batterien bedeuten, dass eine unsachgemäße Produktion zu oft katastrophalen Ergebnissen führen kann.

Li-Ionen-Batterien sind auch anfällig für Schäden, wenn sie über ihre Spannungsgrenzen hinaus geladen werden. Normalerweise hat eine Li-Ionen-Batterie einen Spannungsbereich zwischen 2,5 und 3,65 Volt (oder je nach Zellzusammensetzung bis zu 4,35 V). Ein Überschreiten dieser Spannung durch unsachgemäßes Laden kann zu einer vorzeitigen Alterung der Batteriezellen führen, was bestenfalls bedeutet, dass die Batterie Energie weniger effizient speichert oder schlimmstenfalls dazu führt, dass die reaktiven Komponenten in den Zellen explodieren.

Bei zu langer Lagerung können Li-Ionen-Batterien auch vorzeitig abgebaut werden, was bedeutet, dass sie bei endgültiger Verwendung nicht in der Lage sind, ihren normalen Spannungsbereich zu erreichen. Dies stellt ein Risiko dar, da die Gefahr besteht, dass es zu einer Überladung kommt, obwohl der Benutzer die Anweisungen zum Laden befolgt.

Obwohl Li-Ionen-Batterien „weniger giftige“ Metalle wie Eisen, Nickel, Kupfer und Kobalt verwenden (und als solche eingestuft werden), können ihre Herstellung und Entsorgungsmethode immer noch eine erhebliche Gefahr für die Umwelt darstellen.

Während die metallischen Komponenten von Li-Ionen-Batterien recycelbar sind und sogar sowohl für die Verbrennung als auch für die Deponierung sicher sind, ist ihre Wiederverwendung und Reproduktion in anderen Produkten ein langwieriger und teurer Prozess, der wiederum dazu führt, dass Hersteller auf das Recycling verzichten und stattdessen nur neue Komponenten abbauen.

Solange bei der Herstellung von Li-Ionen-Batterien keine großen Verbesserungen vorgenommen werden, werden sie immer eine Bedrohung für die Umwelt darstellen: Es werden 67 Megajoule Energie benötigt, um ein einziges Kilogramm Li-Ionen zu erzeugen.

Die Zukunft der Li-Ionen-Batterie

Obwohl die Li-Ionen-Batterie jetzt mehr als 50 Jahre alt ist, verbessert sie sich ständig: Wissenschaftler erweitern ständig die Grenzen und Grenzen der aktuellen Li-Ionen-Technologie, indem sie mit neuen Möglichkeiten experimentieren, Elektrolyte, Anoden und Kathoden zu kombinieren, um eine Batterie zu schaffen, die energieeffizienter ist effizienter, kostengünstiger und viel sicherer als seine derzeitige Form.Von der Verwendung von relativ billigeren (aber sichereren) Materialien wie Silizium und Vanadiumoxiden bis hin zur Schaffung von ‚Nanostrukturen‘ innerhalb der Zellen, um mehr Oberfläche zu schaffen, denken Wissenschaftler über neue Wege nach, um die derzeitige Energiekapazität und die Sicherheitsmaßnahmen von Li-Ionen-Batterien zu verbessern.