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Zellchemie & Teile

Batteriezellen sind der wichtigste Teil des Batteriesystems und der kritischste Faktor für sowohl Kosten als auch Leistung in Elektrofahrzeugen.

Anode

Die Anode ist eine der beiden Elektroden in einer Batterie eines Elektrofahrzeugs (EV), die andere ist die Kathode. Während des Entladezyklus findet an der Anode eine Oxidation statt, bei der Elektronen in den externen Stromkreis abgegeben werden, um das Gerät oder Fahrzeug mit Strom zu versorgen. Während des Ladezyklus findet an der Anode eine Reduktion statt, bei der Elektronen aus dem externen Stromkreis aufgenommen und Energie in der Batterie gespeichert wird.

In einer Lithium-Ionen-Batterie besteht die Anode typischerweise aus Graphit, das eine geschichtete Struktur hat, die es Lithium-Ionen ermöglicht, sich zwischen den Schichten zu interkalieren. Wenn die Batterie entladen wird, bewegen sich Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode durch den Elektrolyten, während Elektronen durch den externen Stromkreis fließen. Während des Ladevorgangs erfolgt der umgekehrte Prozess, bei dem sich Lithium-Ionen von der Kathode zurück zur Anode bewegen.

Die Leistung der Anode ist entscheidend für die Gesamtleistung und Sicherheit einer EV-Batterie. Ein hochwertiges Anodenmaterial sollte eine hohe Speicherkapazität für Lithium-Ionen, gute Leitfähigkeit, strukturelle Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Abbau über mehrere Lade- und Entladezyklen aufweisen. Während Graphitanoden diese Anforderungen erfüllen, erforschen Forscher andere Materialien wie Silizium, das eine viel höhere Speicherkapazität hat, aber anfälliger für Abbau ist.

Unternehmen wie StoreDot arbeiten an siliziumbasierten Anoden. Dies könnte theoretisch die Energiedichte auf Zellebene verdoppeln, was EVs erheblich zugutekommen würde. Siliziumanoden könnten auch die Attraktivität von Zellen mit niedrigerer Energie, wie LFP, verbessern, indem sie die Lücke zu NMC-basierten Zellen verringern und den Hauptnachteil von LFP – die begrenzte Energiedichte – minimieren. Schätzungen zeigen, dass die Einbeziehung von 20% Silizium in eine Anode die Energiedichte einer LFP-Zelle um 17% verbessern könnte, obwohl die zusätzlichen Kosten möglicherweise prohibitiv sind.

Kathode

Die Kathode ist die Elektrode, an der während des Entladezyklus eine Reduktion stattfindet, bei der Elektronen aus dem externen Stromkreis aufgenommen werden, um das Gerät oder Fahrzeug mit Strom zu versorgen. Während des Ladezyklus findet an der Kathode eine Oxidation statt, bei der Elektronen in den externen Stromkreis abgegeben und Energie in der Batterie gespeichert wird.

In einer Lithium-Ionen-Batterie besteht die Kathode typischerweise aus einem Metalloxid, wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO), Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NMC) oder Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). Die Wahl des Kathodenmaterials hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung, Sicherheit und Kosten der Batterie.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC)

NMC-Kathoden sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und guten thermischen Stabilität beliebt für EV-Batterien. Sie bieten ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte und Leistungsdichte, was sie für eine Vielzahl von EV-Anwendungen geeignet macht.

Verschiedene Versionen von NMC-Kathoden, wie NMC111, NMC532 und NMC622, beziehen sich auf die Verhältnisse von Nickel, Mangan und Kobalt. Ein höherer Nickelgehalt erhöht die Energiedichte, aber auch die Kosten. Neuere Entwicklungen umfassen NMC811 und NMC622, die eine noch höhere Energiedichte bieten, aber möglicherweise Herausforderungen in Bezug auf thermische Stabilität und Lebensdauer haben. NCM9 ist die neueste Entwicklung mit einem Nickelgehalt von 90%.

Die Partikelgröße und Morphologie des Kathodenmaterials beeinflussen ebenfalls die Leistung. Kleinere Partikel können die Ladefähigkeit und Leistungsdichte verbessern, während größere Partikel die Energiedichte erhöhen können.

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide (NCA)

NCA-Kathoden haben eine hohe Energiedichte und werden in EV-Batterien verwendet, insbesondere in Teslas Fahrzeugen. Sie bieten eine hohe Energiedichte und gute Leistung, was sie zu einer beliebten Wahl für viele EV-Hersteller macht.

NCA-Kathoden bestehen typischerweise aus Nickel, Kobalt, Aluminium und Sauerstoff. Sie bieten eine hohe Energiedichte, was zu einer längeren Reichweite für EVs führt. NCA-Kathoden haben auch eine gute Leistungsdichte und lange Lebensdauer, können jedoch empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren und erfordern daher ausgeklügelte Thermomanagementsysteme.

Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)

LFP ist ein Kathodenmaterial, das häufig in EV-Batterien verwendet wird, aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität und langen Lebensdauer. LFP-Kathoden haben eine geringere Energiedichte im Vergleich zu anderen Typen, bieten jedoch gute Sicherheit, Haltbarkeit und Kosteneffizienz.

LFP-Kathoden bestehen aus Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), einem stabilen und ungiftigen Material. Sie sind in China aufgrund strenger Sicherheitsvorschriften beliebt. Marken wie Tesla verwenden LFP in ihren Modellen mit geringerer Reichweite.

Vorteile von LFP

• Hohe thermische Stabilität, wodurch das Risiko eines thermischen Durchgehens reduziert wird.
• Lange Lebensdauer, was sie für Anwendungen geeignet macht, die hohe Zuverlässigkeit erfordern.
• Geringere Kosten im Vergleich zu nickelbasierten Chemien.

Nachteile von LFP

• Geringere Energiedichte, was sie weniger geeignet für EVs mit hoher Reichweite macht.
• Schlechte Leistung bei kaltem Wetter, was die Entladekapazität und Ladegeschwindigkeit beeinträchtigt.

Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP)

LMFP kombiniert die hohe Sicherheit von LFP und die hohe Energiedichte von Lithium-Mangan-Phosphat (LMP). Es ist ein vielversprechendes Kathodenmaterial für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für EVs.

Vorteile von LMFP

• Hohe thermische Stabilität und geringes Risiko eines thermischen Durchgehens.
• Hohe Leistungsdichte und schnelle Ladefähigkeit.
• Lange Lebensdauer und gute Ladeleistung.
• Geringe Kosten und Umweltfreundlichkeit.
• Hohe Spannungsplattform und verbesserte spezifische Kapazität.

Herausforderungen von LMFP

• Geringe elektronische Leitfähigkeit und Lithium-Ionen-Diffusionskoeffizient.
• Phasenübergang und Gitterverzerrung während des Zyklus.
• Manganauflösung bei hohen Temperaturen.
• Elektrolytkompatibilität und Schnittstellenstabilität.

Zusammenfassung der Kathodenmaterialien

Separator

Ein Separator ist ein wesentliches Bauteil einer EV-Batterie, das zwischen der Kathode und der Anode platziert wird, um Kurzschlüsse zu verhindern. Es handelt sich typischerweise um eine dünne, poröse Membran aus Polymermaterial, die es Lithium-Ionen ermöglicht, zwischen den Elektroden zu fließen, während der Elektronenfluss verhindert wird.

Der Separator bietet eine physische Barriere, ermöglicht den Lithium-Ionen-Fluss und hilft, die innere Struktur der Batterie zu erhalten, indem er die Bildung von Dendriten verhindert. Ein gutes Separatormaterial sollte eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine geringe elektrische Leitfähigkeit und eine gute thermische Stabilität aufweisen.

Gängige Separatormaterialien umfassen Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und keramische Materialien wie Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP).

Elektrolyt

Flüssige Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Lithiumsalzen in einem organischen Lösungsmittel, wie Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat. Sie fungieren als leitfähiger Pfad für Kationen, die sich während des Entladens und Ladens zwischen den Elektroden bewegen.

Festkörperbatterien, die feste Elektrolyte verwenden, bieten potenzielle Vorteile wie höhere Energiedichte, schnelleres Laden, längere Lebensdauer und bessere Sicherheit. Sie stehen jedoch vor Herausforderungen wie hohen Kosten, geringer Leistungsdichte und schlechter Schnittstellenstabilität.

Halbfeste und quasi-feste Batterien sind Hybridtypen, die feste und flüssige Elektrolyte kombinieren und darauf abzielen, einige Nachteile von Festkörperbatterien zu überwinden.

Stromabnehmer

Der Stromabnehmer erleichtert den Fluss des elektrischen Stroms zwischen der Elektrode und dem externen Stromkreis. In Lithium-Ionen-Batterien handelt es sich typischerweise um eine dünne Metallfolie aus Kupfer oder Aluminium, die mit Kohlenstoff beschichtet ist, um die Leitfähigkeit zu verbessern und Korrosion zu verhindern.

Das Design und die Materialien des Stromabnehmers haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und Haltbarkeit der Batteriezelle.

EV-Batterie erklärt mit Lebensmitteln

Im folgenden Video erklärt die Batterie-Wissenschaftlerin und Ingenieurin Jill Pestana vom YouTube-Kanal Across the Nanoverse die verschiedenen Batterieteile anhand von Lebensmitteln.