Pulvermaterialien in Lithiumbatterien – wissen Sie, welche?

Lithiumbatterien bestehen hauptsächlich aus Anode, Kathode, Separator, Elektrolyt, Bindemittel, Leitmittel, Stromabnehmer und Verpackungsmaterialien. Je nach Materialformklassifizierung sind Anode, Kathode, Bindemittel und Leitmittel Pulvermaterialien in Lithiumbatterien. Einige Festkörperelektrolyte bestehen aus Pulvermaterialien, und einige modifizierte Separatoren enthalten ebenfalls Pulvermaterialien.

Positive Elektrode

Zu den kommerzialisierten positiven Elektrodenmaterialien gehören Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4).

• Lithiumkobaltoxid (LiCoO2): Bei Raumtemperatur ein schwarzer Feststoff. Es handelt sich um eine anorganische Verbindung, die für ihre Stabilität, einfache Synthese, hohe elektrochemische Leistung und lange Lebensdauer bekannt ist. Es ist das erste kommerziell erfolgreiche Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien und wird hauptsächlich in 3C-Batterien verwendet.
• Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4): Ein schwarzgraues Pulver mit kubischer Spinell-Kristallstruktur. Es enthält drei Lithiumionen-Transportkanäle, die eine schnellere Ionendiffusion ermöglichen. Dadurch eignet es sich für Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Ladeleistung.
• Ternäres positives Material (LiNixMnyCozO2): Ein ternäres Kathodenmaterial, bei dem Ni und Mn Co in LiCoO2 teilweise ersetzen. Es vereint die Stabilität von LiCoO2, die hohe reversible Kapazität von LiNiO2 und die Sicherheit von LiMnO2. Der geringere Co-Gehalt senkt die Kosten und macht es zu einem vielversprechenden Kathodenmaterial.
• Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4): Dank der Olivinstruktur enthält es keine teuren Elemente wie Co oder Ni. Es ist kostengünstig und verfügt über reichlich vorhandene Rohstoffe. Es zeichnet sich durch eine moderate Betriebsspannung (3,2 V), eine hohe spezifische Kapazität (170 mAh/g), eine hohe Entladeleistung, eine schnelle Ladefähigkeit und eine lange Lebensdauer aus.

Negative Elektrode

Gängige Materialien für negative Elektroden sind Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Lithiumtitanat und Materialien auf Siliziumbasis. Graphit wird am häufigsten verwendet, und Materialien auf Siliziumbasis haben das größte Potenzial.

• Graphit: Es besteht hauptsächlich aus Graphit und hat eine hohe Leitfähigkeit, Energiedichte, chemisch Stabilität und niedrige Herstellungskosten. Es ist in natürlicher und künstlicher Form erhältlich.
• Harter Kohlenstoff: Es handelt sich um Kohlenstoff, der bei hohen Temperaturen nicht graphitiert. Seine innere Kristallanordnung ist ungeordnet, und der Abstand zwischen den Schichten ist groß. Dies ermöglicht eine höhere Ladungsspeicherung und verbessert die Energiedichte und die Batterielebensdauer.
• Weicher Kohlenstoff: Dieses Material lässt sich oberhalb von 2500 °C leicht graphitieren. Es weist einen hohen Ordnungsgrad auf und bietet eine niedrige, stabile Lade-/Entladespannung. Es bietet hohe Kapazität, hohe Effizienz und gute Zyklenbeständigkeit. Seine Struktur hängt von der Sintertemperatur ab. Weiche Kohlenstoffmaterialien, die bei Temperaturen unter 1000 °C hergestellt werden, weisen eine hohe Anzahl von Defekten auf und bieten dadurch zahlreiche aktive Stellen für die Lithiumspeicherung, was die reibungslose Einlagerung und Entnahme von Lithiumionen begünstigt.
• Lithiumtitanat: Ein weißes Pulver mit hoher Lithiumionen-Extraktionsspannung (1,55 V vs. Li/Li+). Es zeichnet sich durch hohe Sicherheit und Spannungsfreiheit aus und gewährleistet minimale Strukturveränderungen beim Einsetzen und Entnehmen der Lithiumionen. Dies ermöglicht eine unbegrenzte theoretische Zyklenlebensdauer. Daher hat es einen hohen Forschungswert und bietet kommerzielle Anwendungsaussichten als negatives Elektrodenmaterial für Energiespeicher und Lithium-Batterien.
• Siliziumbasierte Materialien: Enthält Nanosilizium und Siliziumsuboxid. Diese Materialien werden für Silizium-Kohlenstoff- oder Siliziumoxid-Anoden verwendet. Siliziumbasierte Anoden bieten eine deutlich höhere spezifische Kapazität und Energiedichte als kohlenstoffbasierte Materialien und sind daher die vielversprechendsten Anodenmaterialien der nächsten Generation.

Bindemittel

Als Bindemittel kommen Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) zum Einsatz. PVDF kann sowohl für die Anode als auch für die Kathode verwendet werden, während SBR typischerweise für die Anode verwendet wird.

• Polyvinylidenfluorid (PVDF)PVDF zeichnet sich durch hervorragende chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit aus. Es widersteht wirksam der korrosiven Wirkung von Elektrolytlösungsmitteln. Darüber hinaus bietet es gute Bindungseigenschaften, mechanische Leistung und Verarbeitbarkeit. Die Flexibilität von PVDF stellt sicher, dass sich Wirkstoffe bei Expansion und Kontraktion nicht lösen.
• Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR): SBR wird häufig als wasserbasiertes Bindemittel verwendet, insbesondere in Anodenbindern, wo es 98% ausmacht. Es bietet starke Haftung, mechanische Stabilität und einfache Handhabung. Es trägt zur Partikelbindung bei und verbessert die Batteriedynamik, reduziert die Impedanz und verbessert die Zyklenstabilität.

Leitfähige Mittel

• Leitfähige Stoffe werden verwendet, um eine gute Lade-/Entladeleistung zu gewährleisten, indem sie Mikroströme sammeln und zum Stromkollektor (Aluminium- oder Kupferfolie) leiten. Gängige leitfähige Stoffe sind: Ruß, aus der Dampfphase gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF) und Kohlenstoffnanoröhren (CNT).
• Ruß: Amorpher Kohlenstoff, ein feines, loses schwarzes Pulver. Er entsteht durch unvollständige Verbrennung organischer Substanzen und Hochtemperaturbehandlung zur Verbesserung der Leitfähigkeit und Reinheit. Er ist das am häufigsten verwendete Leitmittel in Lithiumbatterien. Er verbessert den Kontakt zwischen den Partikeln und bildet ein leitfähiges Netzwerk.
• Dampfgewachsene Kohlenstofffasern (VGCF): Diese Fasern haben einen hohen Biegemodul und eine geringe Wärmeausdehnung. Die Zugabe von VGCF verbessert die Flexibilität und mechanische Stabilität und eignet sich daher für langlebige, leistungsstarke Batterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden.
• Kohlenstoffnanoröhren (CNT)Die Impedanz von CNT ist nur halb so groß wie die von Ruß. Eine niedrige Impedanz führt zu einer guten Leitfähigkeit, verbessert die Polarisation und steigert die Zyklenleistung. Die zugesetzte Rußmenge beträgt etwa 31 TP3T des Gewichts des positiven Elektrodenmaterials, während die zugesetzte CNT-Menge nur 0,81 TP3T bis 1,51 TP3T beträgt. Die geringe Zugabemenge spart Platz für aktive Materialien und erhöht so die Energiedichte. CNT ist jedoch nicht leicht zu dispergieren. Derzeit werden in der Industrie üblicherweise Hochgeschwindigkeitsscheren, die Zugabe von Dispergiermitteln und die elektrostatische Dispersion ultrafeiner Mahlperlen zur Verarbeitung eingesetzt.

Festkörperelektrolyte

Einige Festkörperelektrolyte liegen auch in Pulverform vor:

• Hochreines Germaniumdisulfid (GeS2): Ein weißes Pulver mit hoher Ionenleitfähigkeit, chemischer Stabilität und langer Lebensdauer. Es kann eine Reinheit von 99,99% erreichen.
• Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid (LLZO): Dieses Material verfügt über eine ausgezeichnete Ionenleitfähigkeit (1,5 × 10-4 S/cm) und wird zur Herstellung von Festkörper-Lithiumbatterien verwendet. Es kann durch Sol-Gel-Verfahren, Niedertemperaturverbrennung, Mikroemulsion und andere Verfahren synthetisiert werden.
• Lithium-Lanthan-Zirkonium-Tantaloxid (LLZTO): Es bietet eine hohe Ionenleitfähigkeit sowie chemische und thermische Stabilität. Durch Optimierung des Herstellungsprozesses und der Kristallstruktur können seine elektrischen Eigenschaften weiter verbessert werden, um den Anforderungen leistungsstarker Festkörperbatterien gerecht zu werden.

Andere Festkörperelektrolytpulver umfassen Bariumsulfat, Lithium-Phosphor-Schwefelchlorid (hochstabiles Sulfid) und Lithium-Germanium-Phosphor-Schwefelsulfid.

 Batterietrenner

Herkömmliche Separatoren weisen bei hohen Temperaturen eine geringe Stabilität auf, was die Sicherheit beeinträchtigt. Zur Verbesserung der Sicherheit werden Separatoren durch Pulverbeschichtungen modifiziert. Diese modifizierten Separatoren enthalten Pulvermaterialien.

• Aluminiumoxid (Al2O3)Aluminiumoxid kommt in der Natur reichlich vor und zeichnet sich durch hervorragende chemische Inertheit, thermische Stabilität und mechanische Eigenschaften aus. Es wird häufig in Keramikseparatoren verwendet, um die Gesamtleistung von Polyolefinseparatoren zu verbessern. Es wird auch als anorganisches Pulver in großen Mengen zur Modifizierung von Lithiumbatteriemembranen verwendet.
• Böhmit (AlOOH): Böhmit, auch bekannt als monohydratisiertes Aluminiumoxid, ist eine Art Aluminiumoxid mit kristallinem Wasser. Es ist ein unersetzlicher Aluminiumoxid-Vorläufer. Die Herstellung von AlOOH ist einfacher als die von α-Al2O3. In der Industrie wird Böhmitschlamm durch Gibbsit-Hydrothermalverfahren gewonnen. Anschließend wird durch Filtern, Trocknen und Zerkleinern ultrafeines AlOOH-Pulver gewonnen.
• Titandioxid (TiO2)TiO2 ist ungiftig, stabil und lässt sich in der Herstellung leicht kontrollieren. Es verbessert die thermische Stabilität des Separators, die Elektrolytbenetzbarkeit und reduziert die Grenzflächenimpedanz, wodurch der Lithium-Ionen-Transport verbessert wird. Es eignet sich gut zur Modifizierung organischer Polymerseparatoren.
• Siliziumdioxid (SiO2)SiO2 ist ein gängiger anorganischer Füllstoff zur Modifizierung von Polymeren. Seine große Oberfläche und die Hydroxylgruppen (Si-OH) verbessern die Benetzbarkeit des Separators, fördern den Lithium-Ionen-Transport und verbessern die elektrochemische Leistung. SiO2 erhöht zudem die mechanische Festigkeit des Separators und verhindert Dendritenwachstum, wodurch thermische Kurzschlüsse reduziert werden. Im Gegensatz zu Al2O3, TiO2 und AlOOH ist SiO2 leichter zu kontrollieren und zu modifizieren.

Episches Pulver

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