Was ist die Zusammensetzung von Lithiumbatteriematerialien und die vier wichtigsten Rohstoffe?

Lithiumbatterien sind eine wichtige Energiequelle für moderne Technologie und versorgen Geräte wie Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeuge und Energiespeicherstationen. Die Leistung dieser Batterien ist eng mit der Auswahl und den Eigenschaften ihrer Materialien verbunden. Das Schlüsselmaterial für Lithium Batteriematerialien umfasst die Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt. Jedes dieser Komponenten spielt eine entscheidende Rolle und arbeitet synergistisch, um die effizienten Lade- und Entladeprozesse zu ermöglichen, die Lithiumbatterien für verschiedene Anwendungen unverzichtbar machen.

Kathodenmaterialien

Kathodenmaterialien spielen eine Schlüsselrolle in Lithiumbatterien und machen etwa 40 % der Batteriekosten aus. Sie bestimmen direkt die Energiedichte der Batterie. Verschiedene Arten von Kathodenmaterialien haben ihre eigenen Eigenschaften und spielen in verschiedenen Bereichen eine wichtige Rolle.

Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)

Wird häufig in frühen Mobiltelefonen, Laptops und anderen kleinen elektronischen Geräten verwendet, bietet LCO eine hohe Arbeitsspannung und Energiedichte und sorgt für stabile Stromversorgung der Geräte. Allerdings ist Kobalt knapp und teuer. Zudem zeigt LCO bei hohen Temperaturen oder Überladung eine schlechte Sicherheitsleistung, was seine großtechnische Anwendung einschränkt.

Lithium-Mangan-Oxid (LMO)

LMO ist kostengünstiger und sicherer, bietet jedoch eine geringere Energiedichte und eine begrenzte Zykluslebensdauer. Es wird in Anwendungen eingesetzt, die kostensensitiv sind und keine hohe Energiedichte erfordern, wie Elektrofahrräder, einige günstige Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme.

Lithium-Eisenphosphat (LFP)

Bekannt für hohe Sicherheit, lange Zykluslebensdauer und niedrige Kosten, besitzt LFP eine gute thermische Stabilität. Es ist weniger anfällig für thermisches Durchgehen selbst in Hochtemperaturumgebungen, was das Risiko von Batteriebränden oder Explosionen erheblich reduziert. LFP wird häufig in Power-Batterien für neue Energiefahrzeuge, insbesondere in Nutzfahrzeugen und Energiespeicherstationen mit hohen Sicherheitsanforderungen, eingesetzt. Mit technologischen Fortschritten verbessert sich seine Energiedichte kontinuierlich, und sein Anwendungsbereich erweitert sich.

Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) und Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)

Durch die Anpassung des Verhältnisses von Nickel, Kobalt und Mangan (oder Aluminium) balancieren diese Materialien Energiedichte, Zykluslebensdauer und Sicherheit aus. Nickel erhöht die Batteriekapazität, Mangan sorgt für Sicherheit, und Kobalt verbessert die Zyklusleistung. Hoch-Nickel-Ternärmaterialien (wie NCM811 und NCA) bieten eine hohe Energiedichte und ermöglichen Elektrofahrzeugen längere Reichweiten, was sie auf dem Markt für Personenkraftwagen beliebt macht. Ihre Sicherheit und Stabilität sind jedoch im Vergleich zu LFP-Batterien etwas geringer.

Anodenmaterialien

Derzeit bestehen Lithiumbatterie-Anoden hauptsächlich aus natürlichem Graphit und synthetischem Graphit. Beide Materialien zeichnen sich durch hohe Kristallinität, stabile Schichtstrukturen, niedrigen Lithiumeinfügungs-Potenzial und flache Plateaus aus. Diese Vorteile ermöglichen eine hohe spezifische Kapazität und gute Zyklusleistung, die den täglichen Anforderungen an Lithiumbatterien gerecht werden.

Gleichzeitig erforschen Wissenschaftler aktiv neue Anodenmaterialien. Nitride, zinnbasierte Oxide, Zinnlegierungen und andere Materialien haben zwar höhere theoretische Kapazitäten, leiden jedoch unter Problemen wie großem Volumenausdehnung und schlechter Leitfähigkeit. Diese Probleme führen zu schlechter Zyklusstabilität, und sie sind noch nicht kommerziell erhältlich.

Nanomaterialien für Anoden, wie Kohlenstoff-Nanoröhren und Nano-Legierungen, zeigen aufgrund ihrer besonderen Größen- und Oberflächeneffekte eine bessere elektrochemische Leistung. Sie bieten höhere spezifische Kapazitäten, schnellere Lade- und Entladeraten und eine bessere Zyklusstabilität. Viele Unternehmen haben begonnen, diese Materialien in traditionelle Anodenmaterialien zu integrieren, um die Gesamtleistung von Lithiumbatterien zu verbessern.

Separator

Kommerzielle Separatoren bestehen hauptsächlich aus Polyolefinen, wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Struktur der Lithiumbatterie. Der Separator bildet eine physische Barriere zwischen Anode und Kathode und verhindert direkten Kontakt, der einen Kurzschluss verursachen könnte. Gleichzeitig ermöglicht er den Durchtritt von Lithium-Ionen und sorgt so für den Ionenleitfähigkeit innerhalb der Batterie.

Die Leistung des Separators hat einen erheblichen Einfluss auf die Sicherheit, die Zyklenlebensdauer und die Lade-Entlade-Leistung der Batterie. Parameter wie Porengröße, Porosität und Dicke müssen präzise kontrolliert werden. Die geeignete Porengröße und Porosität ermöglichen einen reibungslosen Durchtritt der Lithium-Ionen, während sie den Elektronentransport blockieren, um Kurzschlüsse zu verhindern. Die richtige Dicke trägt dazu bei, die mechanische Festigkeit und Sicherheit des Separators zu verbessern. Wenn der Separator jedoch zu dick ist, erhöht sich der Innenwiderstand der Batterie, was die Lade-Entlade-Leistung beeinträchtigt.

Elektrolyt

Der Elektrolyt wird durch Mischen hochreiner organischer Lösungsmittel, Lithiumsalze und notwendiger Additive in spezifischen Verhältnissen hergestellt. Er spielt eine Schlüsselrolle bei der Leitung von Lithium-Ionen. Dies ist für die Lade- und Entladeprozesse der Batterie unerlässlich.

Gängige organische Lösungsmittel sind Carbonate wie Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Methylethylcarbonat (EMC). Diese Lösungsmittel lösen das Lithiumsalz im Elektrolyt effektiv auf. Sie bieten eine ideale Umgebung für die Migration der Lithium-Ionen. Der wichtigste Bestandteil des Elektrolyts ist das Lithiumsalz. Das am häufigsten verwendete Lithiumsalz ist Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆). Es bietet hohe Ionenleitfähigkeit und gute elektrochemische Stabilität. Ein neueres Lithiumsalz, Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiFSi), hat Aufmerksamkeit erregt. Es weist eine höhere Leitfähigkeit, bessere thermische Stabilität und Resistenz gegen Hydrolyse auf.

Additive, obwohl in kleinen Mengen verwendet, spielen eine entscheidende Rolle. Sie können die Lade-Entlade-Effizienz der Batterie verbessern. Sie verlängern auch die Zyklenlebensdauer und erhöhen die Sicherheit. Zum Beispiel bilden filmbildende Additive eine stabile Festkörper-Gel-Elektrolyt-Interphase (SEI) auf der Elektrodenoberfläche. Dies verhindert weitere Reaktionen zwischen Elektrolyt und Elektroden. Es verbessert die Zyklusstabilität und Sicherheit der Batterie. Flammschutzadditive reduzieren die Entflammbarkeit des Elektrolyts. Dies erhöht die Sicherheitsleistung der Batterie.

Epic Pulver

Abschließend lässt sich sagen, dass Epic Powder an der Spitze der Weiterentwicklung von Lithium-Batteriematerialien steht, mit einem starken Fokus auf Ultra-Feinmahltechnik. Unsere spezialisierten Prozesse gewährleisten höchste Reinheit und Partikelgrößenkontrolle für Kathoden und Anoden. Durch die Integration innovativer Mahlmethoden verbessern wir die Leistung, Effizienz und Sicherheit von Lithium-Batterien. Epic Powder ist bestrebt, hochwertige Materialien zu liefern, die auf die Bedürfnisse von Branchen wie Elektrofahrzeugen, Energiespeicherung und Unterhaltungselektronik zugeschnitten sind, und trägt gleichzeitig zur Weiterentwicklung von Energiespeicherlösungen bei.