Vor- und Nachteile bei der Wahl der Technologie für die negative Elektrode einer Li-Ionen-Batterie.
In einem früheren Artikel haben wir die verschiedenen auf dem Markt erhältlichen Technologienfür positive Elektroden untersucht. Nun werden wir uns mit den Technologien für negative Elektroden befassen.
Negative Li-Metall-Elektrode
Es handelt sich um die natürlichste negative Elektrode, die häufig in Laboren verwendet wird. Dabei ist zu beachten, dass es sich in diesem Fall nicht mehr wirklich um Lithium-Ionen-Technologie handelt, da an der negativen Elektrode tatsächlich eine Umwandlung des Materials stattfindet und die Lithium-Ionen in Lithiummetall umgewandelt werden.
Der Vorteil dieser Technologie besteht in ihrer sehr hohen Energiedichte. Der Nachteil ist, dass sie sehr schwer zu beherrschen ist, da es bei der Entladung zu einer starken strukturellen Veränderung der negativen Elektrode kommt (das Material wird verbraucht) und da sie einen sehr hohen Lithiumgehalt aufweist. Lithium ist in metallischer Form ein pyrophores Material. Eine der Schwierigkeiten besteht darin, die Homogenität der Lithiummetallablagerung während des Ladevorgangs zu kontrollieren: Ist die Ablagerung nicht homogen, bilden sich bevorzugte Strompfade, die die Inhomogenität verstärken, bis Dendriten den Separator durchbrechen und einen Kurzschluss innerhalb der Zelle verursachen.
Für große Speichersysteme ist dies eine riskante technologische Entscheidung. Es sei angemerkt, dass Bolloré bei dieser Technologie sehr weit fortgeschritten ist, indem es sie mit einer Polymermembran und LFP kombiniert, was eine gute Sicherheit gewährleistet. Dennoch muss die Bolloré-Batterie auf etwa 80 °C gebracht werden, um zu funktionieren. Um die Batterien der Autolib-Fahrzeuge auf 80 °C zu halten, ist ein Verbrauch von 10 kWh pro 24 Stunden erforderlich (10 kWh entsprechen etwa 50 km Fahrstrecke).
Negative Graphitelektrode
Graphit ist das derzeit am häufigsten verwendete Material für die negative Elektrode. Es macht mehr als 95 % des Marktes aus. Manchmal wird es mit etwas Silizium gemischt, um seine spezifische Kapazität zu erhöhen, aber es treten echte Probleme mit der Alterung im Zyklus auf, wenn der Siliziumanteil erhöht wird.
Graphit weist eine sehr gute Energiedichte, eine gute Zyklenstabilität und sehr niedrige Kosten auf. Es hat den Nachteil, dass es bei Kontakt mit dem Elektrolyten nicht sehr stabil ist. Daher bildet sich zwischen Graphit und Elektrolyt eine Passivierungsschicht, die schwer zu kontrollieren ist. Diese Schicht muss es den Lithiumionen ermöglichen, so leicht wie möglich zu passieren, und gleichzeitig verhindern, dass der Elektrolyt, in dem die Ionen schwimmen, mit dem Graphit in Kontakt kommt... Außerdem liegt das elektrochemische Potenzial von Graphit nahe dem von Lithiummetall (0,15 V darüber). Wenn also der Widerstand zwischen der Passivierungsschicht und dem negativen Kollektor erhöht wird (Kaltladung, gealterte Batterie usw.), kann der Graphit das Potenzial von Lithiummetall erreichen.
Die Lithiumionen lagern sich nicht mehr in die Graphitstruktur ein, sondern setzen sich an der Oberfläche der Elektrode ab und bilden Dendriten, die zu einem internen Kurzschluss und anschließend zur Zerstörung der Zelle führen können. Um diese Phänomene zu vermeiden, ist das Laden von Lithium-Ionen-Batterien unter 0 °C sehr oft verboten und bei niedrigen Temperaturen strombegrenzt.
Negative Elektrode Li4Ti5012 (LTO oder Titanat)
Die ersten Arbeiten an LTO begannen 1993. Dennoch dauerte es bis 2008, bis Toshiba einen Akku mit dieser Technologie auf den Markt bringen konnte. Im Vergleich zu Graphit hat LTO den großen Vorteil, dass es an seiner Schnittstelle zum Elektrolyten keine oder nur eine geringe Passivierungsschicht aufweist, was ihm ein ausgezeichnetes Zyklus- und Leistungsverhalten verleiht.
Darüber hinaus liegt sein elektrochemisches Potenzial 1,55 V über dem von Lithiummetall, wodurch es einen deutlich größeren Spielraum zur Vermeidung von Lithiummetallablagerungen bietet. Dies erhöht nicht nur seine Kaltladekapazität, sondern auch seine Lebensdauer erheblich. Die Nachteile dieser Technologie sind ihre Energiedichte und ihre Kosten. LTO ist in der Tat viel teurer als Graphit, und das elektrochemische Potenzial von LTO verringert die Nennspannung der gesamten Zelle entsprechend. Die Nennspannung sinkt von 3,7 V bei einer Graphit/NMC-Zelle auf 2,3 V bei einer LTO/NMC-Zelle.
Die Energiedichte nimmt stark ab und liegt unter den mit LFP erzielten Dichten und damit weit unter der mit einer G/NMC-Zelle erzielten Dichte.
