Batteriechemie

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Batterie-Chemie
Batterie Chemie

Batteriechemie

Chemie der Batterien und Akkumulatoren

Batteriearten & Chemie

Wenn man von der Batterie chemie («Battery chemistry» auf Englisch) spricht, spricht man eigentlich vom Typ oder der Art der Batterie. Eine Batterie ist eine kleine Chemiefabrik. Daher definiert die «Batteriechemie», um welchen Typ Batterie es sich handelt. Also, z.B. Lithium-IonenVanadium-Redox-FlowNMC, LiFePO, NCA, LTO oder Blei-Batterie.

Beim Versand und bei der Entsorgung von Batterien muss auf die Batteriechemie geachtet werden, da für jede Chemie andere gesetzliche Anforderungen gelten und sich diese ändern können. Da Lithium-Ionen brennbar sind, gelten spezielle Regeln für den Transport, insbesondere auch für die Luftfracht.

Jedes Batterie-System benötigt ein spezielles Ladegerät. Das Laden eines Akkus mit einem Ladegerät, das für eine andere Chemie ausgelegt ist, kann auf den ersten Blick gut funktionieren, aber möglicherweise wird der Ladevorgang nicht korrekt beendet.

 

Während in der Forschung die Chemie von Batterien ständig verändert wird, um optimale Bedingungen zu finden, bevorzugt die Automobilindustrie eine stets gleichbleibende Batteriechemie. Den jede Änderung der Batteriechemie ändert die Abläufe in der Batteriestellung und bedingt z.T grosse betriebliche Anpassungen bis hin zu zum Erstellen von neuen Milliardenschweren Batteriefabriken.

Wässrige Batteriechemie und nicht-wässrige Batteriechemie

Es gibt grundsätzlich wässrige Batteriechemie(n) und nicht wässrige Batteriechemie(n). 

Wässrige Batteriechemie​

In dieser Gruppe gehören primäre und sekundäre Batterien, z.B. Blei-Akkumulatoren, Zink-Batterien, Redox-Fluss-Batterien, NiCd, Alkalibatterien und gewisse Typen von Natrium-Ionen-Batterien.

Vorteile wässriger Batterie-Systeme

Die Vorteile wässriger Batterie-Systeme liegen auf der Hand:

  • Wasser ist billig
  • Wasser ist nicht giftig
  • der Ionentransport ist exzellent in wässrigen Systemen, was zu hoher Batterieleistung führen kann
  • Die Sicherheit der Batterien ist intrinsisch hoch, weil Wasser nicht brennbar ist
Batteriechemie
Batteriechemie
Nachteile wässriger Batterie-Systeme​

Der einzige Nachteil bei wässrigen Batterie-Systeme ist, dass das Betriebspotential der Batterie limitiert ist auf circa 1.3 Volt. Dies hängt mit der elektrolytischen Stabilität des Wassers zusammen, das bei bestimmten elektrischen Potenzialen und Strömen in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Bei der limitierten möglichen Potenzialdifferenz kann daher keine sonderlich hohe Energiedichte erzielt werden, wie dies bei Lithium-Ionen Batterien der Fall ist. Jedoch gibt es seit langem Forschungsbemühungen (wassrige Lithium-Ionen Batterien) auch in wässrigen Systemen höhere Betriebspotentiale zu erreichen.

Nicht-wässrige Batteriechemie​ (Organische Batteriechemie)

Batterie-Chemie

Nicht-wässrige Batterie-Chemie, nicht-wässrige-Batteriesysteme, also wasserfreie Batteriesysteme sind praktische alle primären Lithiummetall und sekundären Lithium-Ionen basierten Batterien sind nicht wässrige Batteriesysteme. Auch gewisse Typen von Natrium-Ionen Batterien sind wasserfrei (mit organischem Lösemittel). Ebenso zur Gruppe der nicht wässrigen Batterien gehören die Thermal-Batterien und Salzschmelzbatterien (molten-salt Batteries). 

Hinweis zur Nomenklatur

Teilweise wird von «organischen» Batterien gesprochen, da Lithium-Ionen «organische Lösungsmittel» enthalten. Es ist besser von «nicht-wässrigen Batterien» zu sprechen. Den «organisch» kann leicht verwechselt werden mit «echten organischen Batterien», die als aktive Materialien keine aktiven Metalle-Verbindungen wie NMC oder LFP enthalten, sondern «organische, aktive Materialien.» 

Vorteile nicht wässriger Batterie-Systeme​

Die Vorteile von nicht wässrigen Batteriesystemen wie in Lithium-Ionen sind die hohen Potenzial-Differenzen, die zu hohen Energiedichten führen.

 
Die Vorteile (hohe Energiedichte) sind für das Produkt so wichtig, dass die Nachteile in Kauf genommen werden.
Nachteile nicht-wässriger Batterie-Systeme
  • Lösungsmittel und notwendige Elektrolyten sind oft kostenintensiver als bei wässrigen Systemen
  • Die Batterien müssen meist in speziellen Trockenräumen zusammengebaut werden
  • Enthalten z.T. brennbare organische Lösungsmittel
  • Giftigkeit beim Auslaufen oder Brand
  • Daher muss speziell auf die Sicherheit geschaut werden
  • Der Ionentransport ist oft schlechter als bei wässrigen Batterien
 
Obwohl hier viele vermeintliche Nachteile aufgezählt werden, ist die Energiedichte und die Zyklenfestigkeit von so hoher Bedeutung, dass man die allfällige Nachteile in Kauf nimmt.

Weiterführende Literatur​

  1.  «Water-in-salt» electrolyte enables high-voltage aqueous lithium-ion chemistries». Science350 (6263): 938–943. doi:10.1126/science.aab1595. PMID 26586759
  2. Schelmetic, Tracey (September 22, 2017). «UMD and U.S. Army Research Lab Engineers Develop 4.0 Aqueous Lithium-Ion Battery»Design News. Retrieved 2018-07-10.
  3. Xu, Kang; Wang, Chunsheng (6 October 2016). «Batteries: Widening voltage windows». Nature Energy1 (10): 16161. Bibcode:2016NatEn…116161X. doi:10.1038/nenergy.2016.161.
  4. Liu, Jilei; Xu, Chaohe; Chen, Zhen; Ni, Shibing; Shen, Ze Xiang (January 2018). «Progress in aqueous rechargeable batteries». Green Energy & Environment3 (1): 20–41. doi:10.1016/j.gee.2017.10.001.
  5. Malik, Rahul (September 2017). «Aqueous Li-Ion Batteries: Now in Striking Distance». Joule1 (1): 17–19. doi:10.1016/j.joule.2017.08.016
  6. Yang, Chongyin; Chen, Ji; Qing, Tingting; Fan, Xiulin; Sun, Wei; von Cresce, Arthur; Ding, Michael S.; Borodin, Oleg; Vatamanu, Jenel; Schroeder, Marshall A.; Eidson, Nico; Wang, Chunsheng; Xu, Kang (September 2017). «4.0 V Aqueous Li-Ion Batteries». Joule1 (1): 122–132. doi:10.1016/j.joule.2017.08.009

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