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Kennen Sie das Funktionsprinzip und den Aufbau von Li-Polymer-Batterien?

2021-06-26
Li-Polymer-Akku ist die gebräuchlichste Akkutechnologie, die wir täglich verwenden. Aber kennen Sie das Funktionsprinzip und den Aufbau von Li-Polymer-Akkus?

Das Funktionsprinzip und der Aufbau von Li-Polymer-Akkus sind identisch mit denen von Li-Ionen-Akkus. Diese Batterien arbeiten nach dem Prinzip der Deinterkalation und Interkalation von Lithiumionen von positiven Elektrodenmaterialien zu negativen Elektrodenmaterialien. Betrachten wir zunächst den Herstellungsprozess von Li-Polymer-Batterien.

Die sandwichartigen Zellen (Abb. 2) bestehen aus einer Graphitelektrode (negativ), einer Lithium-Metalloxid-Elektrode (positiv) und einer Separatorschicht. Das Lithiummetalloxid basiert auf Mangan-, Nickel- oder Kobaltoxidverbindungen oder einer Mischung davon.

In bestimmten Zellen mit niedrigerem Spannungsniveau wird alternativ Eisenphosphat in Form von Li-Eisenphosphat-Zellen verwendet. Die Zusammensetzung beeinflusst die Eigenschaften der Batterie und variiert je nach Hersteller und Qualitätsstufe.

Abb. 2. Grundlegender Aufbau von Li-Ionen-Zellen. Grafik: © Universität Siegen

Wesentliche Kriterien, die Li-Polymer-Akkus von anderen Zelltypen unterscheiden:

oLi-Ionen-Zellen haben ein festes Gehäuse aus Edelstahl oder Aluminium. Das Gehäuse ist in der Regel zylindrisch (‚Rundzellen‘). Es sind jedoch auch rechteckige Formen erhältlich.

Nachteile: relativ hohe Werkzeugkosten für die Gehäusefertigung; eingeschränkte Abmessungen.

Vorteile: robustes, mechanisch starkes Gehäuse, wodurch der Akku schwer zu beschädigen ist. Ein Laserschweißverfahren versiegelt die Zellen.

Li-Polymer-Zellen, auch Soft- oder Pouch-Zellen genannt, haben ein dünnes und etwas „weiches“ Gehäuse – ähnlich einem Pouch – aus tiefgezogener Aluminiumfolie. Das meist prismatische Gehäuse lässt sich einfacher und kostengünstiger herstellen als die Hartschalen von Li-Ionen-Zellen. Auch die anderen Bauteile in hauchdünnen Schichtfolien (< 100 µm) lassen sich relativ kostengünstig in Serie herstellen.

Die Zellen sind leicht, dünn und können in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt werden. Sowohl große Formate als auch Höhen von weniger als 1 mm sind realisierbar. Die Zellen erfordern jedoch eine sorgfältige mechanische Handhabung.

Die Gehäusefolie ist beidseitig mit Kunststoff beschichtet. Innen: Polyolefine, beständig gegen die Zellbestandteile. Außen: Polyamid, beständig gegen die äußere Umgebung. Dieses wasserdichte Laminat ist verschweißt und umgibt die Zelle bestehend aus Kathode, Anode und Separator.

Ein kritischer Punkt war die Ausführung des Deflektors im Bereich der Terrasse. Eine zusätzlich am Deflektor angeschweißte Folie erhöht die Dichtigkeit in diesem Bereich der Schweißung des „Gehäuses“.

o Elektrodensatz: In Li-Polymer-Batterien besteht der Elektrodensatz aus einer kohlenstoffbasierten Substanz (Graphit+Additive), die auf ein metallisches Substrat aufgeklebt ist. Die Kathode besteht aus dreidimensionalen, lithiierten Kobaltoxiden oder Nickel/Mangan/Kobalt (NMC)-Mischoxiden, die ebenfalls auf ein metallisches Substrat aufgeklebt sind. An beiden Elektroden sind Deflektoren vorhanden. Sie werden zusammen mit dem Separator, normalerweise ein dreischichtiges Polyolefin, um den Kern gewickelt. Der Kern besteht im Allgemeinen aus einem flachen Stift, um die rechteckige Wicklung zu erzeugen. Der Wickel sitzt im Boden der Beutelfolie, die teilweise gefaltet und über den Wickel gelegt wird. Die Versiegelung entsteht durch Verschweißen der Folie.

o Design: Vorteilhaft ist die nahezu grenzenlose Auswahl an Größen und Formaten durch das Fehlen eines steifen Stahlgehäuses und die kompakte Bauweise. Insbesondere die Möglichkeit, sehr flache Zellen zu konstruieren, zeichnet die Li-Polymer-Batterietechnologie aus. Solche Batterien können dünner als 1 mm sein.

Dies führt zu erheblichen Gestaltungsfreiheiten für das Endprodukt. Auch bei kleinen Losgrößen lassen sich individuelle Abmessungen realisieren und gleichzeitig der für die Batterie reservierte Platz optimal ausnutzen.

o Energiedichte: Die Energiedichte dieser Zellen ist höher als die anderer Typen. Bezogen auf ihr Gesamtgewicht haben Li-Polymer-Zellen eine etwas höhere Energiedichte als Li-Ionen-Zellen. Sie können wie Li-Ionen-Akkus einfach parallel geschaltet werden, um höhere Kapazitäten zu ermöglichen.

o Selbstentladung: Ein weiterer Vorteil von LiPo-Zellen ist ihre relativ geringe Selbstentladung.

Dennoch sollten sie vor Überladung, Tiefentladung und extremen Temperaturen geschützt werden.

o Zulassung: Die Verbreitung von Li-Polymer-Zellen auf dem Markt bestätigt die Vorteile und Akzeptanz dieser Technologie. Viele der auf dem Markt befindlichen Zellen sind zertifiziert. Vor dem Einsatz einer bestimmten Zelle sollte geprüft werden, ob diese eine Zulassung hat und ob der Hersteller über die für die Produktion erforderlichen Werkzeuge verfügt

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