{"id":15607,"date":"2022-12-28T14:54:40","date_gmt":"2022-12-28T06:54:40","guid":{"rendered":"https:\/\/manlybattery.com\/?p=15607"},"modified":"2023-12-28T14:57:19","modified_gmt":"2023-12-28T06:57:19","slug":"die-drei-grosten-durchbruche-bei-niedertemperatur-lithiumbatterien","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/manlybattery.com\/de\/3-top-low-temperature-lithium-battery-breakthroughs\/","title":{"rendered":"3 Top-Durchbr\u00fcche bei Niedertemperatur-Lithiumbatterien"},"content":{"rendered":"

3 Top-Durchbr\u00fcche bei Niedertemperatur-Lithiumbatterien<\/h1>\n

Einf\u00fchrung in die Anforderungen an Niedertemperatur-Lithiumbatterien<\/strong><\/h2>\n

Mit dem rasanten technologischen Fortschritt wird der Bedarf an Niedertemperatur- und Ultratieftemperatur-Lithiumbatterien in rauen Umgebungen wie Hochplateaus, Tiefsee, Polarregionen und extrem kalten Gebieten wie dem Weltraum immer gr\u00f6\u00dfer. Herk\u00f6mmliche Lithiumbatterien sind f\u00fcr die Energiespeicherung und -abgabe unter diesen extremen Temperaturbedingungen nicht ausreichend.<\/p>\n

Das Auslaufen der Subventionen f\u00fcr Fahrzeuge mit alternativen Antrieben und der beschleunigte Bau von 5G-Basisstationen durch gro\u00dfe Telekommunikationsbetreiber haben die Nachfrage nach kosteng\u00fcnstigen, niedrigtemperaturbest\u00e4ndigen Lithium-Ionen-Batterien deutlich erh\u00f6ht. Im Jahr 2021 erreichten die installierten Strombatterien f\u00fcr Privathaushalte 159,6 GWh. In n\u00f6rdlichen Regionen mit extremen Winterbedingungen ist die Reichweite von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben jedoch stark eingeschr\u00e4nkt. Daher entwickeln sich Niedertemperatur-Lithiumbatterien<\/a><\/strong> Die Eignung f\u00fcr kalte Umgebungen ist entscheidend. F\u00fcr 5G-Basisstationen haben Niedertemperatur-Lithium-Eisenphosphat-Batterien in der Branche Anerkennung als entscheidenden Wettbewerbsvorteil erlangt, da die Branche unweigerlich von Blei-S\u00e4ure-Batterien auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien f\u00fcr die Notstromversorgung von Kommunikationssignalt\u00fcrmen umsteigt.<\/p>\n

Die Temperatur beeinflusst den Massen- und Ladungstransfer in Lithium-Ionen-Batterien w\u00e4hrend des Ladens und Entladens. Bei niedrigen Temperaturen ist die verlangsamte Kinetik der Lithium-Ionen der wichtigste Faktor f\u00fcr ihre elektrochemische Leistung. Die Ionenleitf\u00e4higkeit des Elektrolyten nimmt ab, wodurch die Solvatation\/Desolvatation der Lithium-Ionen schwieriger wird und die Migrationsrate der Lithium-Ionen innerhalb des aktiven Elektrodenmaterials und an der Fest-Fl\u00fcssig-Grenzfl\u00e4che deutlich reduziert wird. Diese Faktoren f\u00fchren zu einer starken Verschlechterung der Batterieleistung. Zudem neigt die Anodenoberfl\u00e4che zu Lithiumplattierung und Dendritenwachstum, was zu Batterieausf\u00e4llen und Sicherheitsrisiken f\u00fchrt. Um diese Probleme zu l\u00f6sen, haben Forscher die Leistung von Lithium-Batterien bei niedrigen Temperaturen verbessert, indem sie Kathoden- und Anodenmaterialien modifiziert, Elektrolytkomponenten und L\u00f6sungsmittelstrukturen angepasst und effektive Batterie-W\u00e4rmemanagementsysteme (BTMS) entwickelt haben, um sie f\u00fcr raue Niedrigtemperaturumgebungen geeignet zu machen.<\/p>\n

\"Niedertemperatur-Lithiumbatterie\"<\/p>\n

Aktueller Forschungsstand zu Niedertemperatur-Lithiumbatterien<\/strong><\/h2>\n

1.1 Modifizierung von Kathodenmaterialien<\/strong><\/h3>\n

Bei niedrigen Temperaturen sind die Hauptgr\u00fcnde f\u00fcr die verringerte Kapazit\u00e4t von Kathodenmaterialien eine geringere Elektronenleitf\u00e4higkeit, verringerte Lithiumionenmigrationsraten und eine langsamere Interkalations-\/Deinterkalationskinetik von Lithiumionen im Vergleich zu Raumtemperatur. Die Lithiumionenleistung bei niedrigen Temperaturen kann durch die Modifizierung von Kathodenmaterialien deutlich gesteigert werden. Dazu geh\u00f6ren Strategien wie Ionendotierung im Volumen oder an der Oberfl\u00e4che zur Verbesserung der Lithiumionenmigrationsrate oder Elektronenleitf\u00e4higkeit, der Einsatz von Kohlenstoffnanomaterialien zur Bildung mehrdimensionaler leitf\u00e4higer Strukturen, die Modifizierung mit Ionenleitern zur Erh\u00f6hung der Elektronen- und Ionenleitf\u00e4higkeit und die Optimierung der Kristallstruktur zur Verk\u00fcrzung der internen Diffusionsdistanz von Lithiumionen und damit zur Verbesserung der Kinetik der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen.<\/p>\n

1.2 Modifizierung von Anodenmaterialien<\/strong><\/h3>\n

Bei niedrigen Temperaturen verringern sich die Lithiumionenmigrationsraten in Anodenmaterialien. Dies erschwert die Desolvatisierung von Lithiumionen, erh\u00f6ht die elektrochemische Transferimpedanz und verringert die Interkalationskapazit\u00e4t von Lithiumionen, was zur Elektrodenpolarisation f\u00fchrt. Das nicht interkalierte Lithium neigt zur Ablagerung an der Anode, was das Lithiumdendritenwachstum, die Verdickung des SEI-Films und das Austrocknen des Elektrolyten weiter beschleunigt und letztendlich die Kapazit\u00e4t und Zyklenleistung der Lithium-Ionen-Batterie verringert. Als Anodenmaterial wird haupts\u00e4chlich Graphit verwendet, aber auch Materialien mit hohem Ladeplateau und hoher Ladeschlussspannung wie Li4Ti5O12 und Hartkohlenstoff werden eingesetzt, um die Lithiumablagerung bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Forscher verbessern die Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien vor allem durch Dotierung, die Herstellung von Nanokompositelektroden (einschlie\u00dflich der Zugabe von Nanokohlenstoffmaterialien, kohlenstoffbeschichteten Nanomaterialien und anderen Nanokompositelektroden), die Modifizierung von Graphitelektroden und die Entwicklung neuer Anodenmaterialien.<\/p>\n

1.3 Elektrolytzusammensetzung und Anpassung der L\u00f6sungsmittelstruktur<\/strong><\/h3>\n

Der Elektrolyt beeinflusst die Lithium-Ionen-Mobilit\u00e4t und ist an der Bildung des Festk\u00f6rperelektrolyt-Grenzfl\u00e4chenfilms (SEI) beteiligt, der f\u00fcr die elektrochemische Leistung einer Batterie bei niedrigen Temperaturen entscheidend ist. Viskosit\u00e4t und Solvatationsgrad beeinflussen die Lithium-Ionen-Mobilit\u00e4t erheblich. Elektrolyte in Niedertemperatur-Lithiumbatterien sollten eine hohe Ionenleitf\u00e4higkeit und niedrige Viskosit\u00e4t besitzen und gleichzeitig die notwendige Tieftemperaturstabilit\u00e4t aufweisen. Zyklische Carbonate wie Ethylencarbonat (EC) sind f\u00fcr die Bildung einer stabilen SEI-Schicht vorteilhaft, haben jedoch eine h\u00f6here Viskosit\u00e4t und h\u00f6here Schmelzpunkte. Die Zugabe von linearen Carbonaten, Estern oder Ethern mit niedrigerer Viskosit\u00e4t und niedrigeren Schmelzpunkten durch eine Co-L\u00f6sungsmittelstrategie hilft, den Elektrolyten bei niedrigen Temperaturen in fl\u00fcssigem Zustand zu halten. Allerdings ist es wichtig, den reduzierten Flammpunkt der Elektrolyte nach der Zugabe von linearen Carbonaten mit niedriger Viskosit\u00e4t auszugleichen, um die thermische Stabilit\u00e4t sicherzustellen. Trotz geringerer Ionenleitf\u00e4higkeit und h\u00f6herer Viskosit\u00e4t werden hochkonzentrierte Elektrolyte aufgrund ihrer geringeren Ladungstransferimpedanz, besseren Ratenleistung und verbesserten Tieftemperaturtauglichkeit bevorzugt.<\/p>\n

2. Forschung und Entwicklung neuer Niedertemperatur-Lithiumbatteriesysteme<\/strong><\/h2>\n

W\u00e4hrend bei der Verbesserung der Niedertemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien einige Fortschritte erzielt wurden, ist die innovative Forschung zu neuen Niedertemperatur-Lithiumbatteriesystemen vergleichsweise sp\u00e4rlich. Superionische Leiter, bekannt f\u00fcr ihre hervorragende Ionenleitf\u00e4higkeit, k\u00f6nnen die Lithium-Ionen-Migrationsrate effektiv verbessern und bieten neue Perspektiven f\u00fcr die Verbesserung der Niedertemperaturleistung von Lithiumbatterien.<\/p>\n

Im Jahr 2011 entwickelte die japanische Kamaya-Forschungsgruppe einen neuartigen anorganischen Sulfid-Superionenleiter namens Li10GeP2S12, der sich durch eine extrem hohe Leitf\u00e4higkeit auszeichnet. Mit einer Zersetzungsspannung von \u00fcber 5 V und einer Lithium-Ionen-Leitf\u00e4higkeit von 12 mS\/cm bei Raumtemperatur (27 \u00b0C) kann er mit herk\u00f6mmlichen organischen Fl\u00fcssigelektrolyten konkurrieren oder diese sogar \u00fcbertreffen. Bemerkenswerterweise kann seine Ionenleitf\u00e4higkeit selbst bei -40 \u00b0C 0,41 mS\/cm erreichen und weist damit die beste Leitf\u00e4higkeit unter verschiedenen Superionenleitern auf, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, wo seine Leistung die organischer Elektrolyte deutlich \u00fcbertrifft.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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