Der Einsatz von Nanotechnologie in Lithium-Ionen-Batterien


Hausarbeit, 2018

27 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung in die Nanotechnologie
1.2 Einführung in die Batterietechnik
1.2.1 Geschichte der Batterie
1.2.2 Zellarten
1.2.3 Zelltypen
1.2.4 Wesentliche Kennzahlen der Batterie
1.3 Entwicklungspotential

2 Die Galvanische Zelle
2.1 Grundlagen
2.2 Kathode
2.3 Anode
2.4 Elektrolyt
2.5 Separator
2.6 Der Entladevorgang
2.7 Der Ladevorgang

3 Die Lithium-Ionen-Batterie
3.1 Verwendete Materialien
3.1.1 Anode
3.1.2 Kathode
3.1.3 Elektrolyt
3.1.4 Separator

4 Nanotechnologie in der Batterietechnik
4.1 Nanoporöse Separatoren
4.2 Zellen mit Nanoröhrchen
4.3 Anode mit Nanokugeln

5 Fazit und Ausblick

6 Quellenverzeichnis.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1: Größenordnungen im Vergleich

Abbildung 1.2: Anwendungsgebiete der Nanotechnologie

Abbildung 1.3: Froschschenkelexperiment von Volta

Abbildung 2.1: Schematische Darstellung einer galvanischen Zelle

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung Ladevorgang

Abbildung 2.3: Schematische Darstellung Ladevorgang

Abbildung 3.1: Eigenschaften der verschiedenen Kathodenmaterialien

Abbildung 3.2: SEM-Aufnahme Polypropylen-Separator

Abbildung 3.3: KOKAM NMC Batteriezelle

Abbildung 4.1: Schematische Darstellung Nano-Membran

Abbildung 4.2: Vergleich Lebensdauer einer Batterie mit und ohne Nanoseparator

Abbildung 4.3: Schematische Darstellung der Nanoröhrchen Zelle

Abbildung 4.4: Schematische Darstellung einer einzelnen Nanoporen

Abbildung 4.5: Aufnahme einer Nanokugel im REM

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Beispielgrößen

Tabelle 2: Daten zur KOKAM NMC Batterie

Tabelle 3: Nano- und micro-poröse Separatoren im Vergleich

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Nanotechnologie und – Materialien in der Batterietechnik. Hierfür werden dem Leser zunächst die Grundlagen der Nanotechnologie und der Batterietechnik erläutert. Aufbauend auf diesen Grundlagen wird die Funktionsweise der Galvanischen Zelle erklärt. Dieses Verfahren ist für das Verständnis der Nanotechnologie innerhalb der Batterie essentiell. Die 1991 von dem Unternehmen Sony entwickelte Lithium-Ionen-Batterie ist die Hauptbetrachtungstechnologie. Diese wird zunächst gegenüber anderen Batterien abgegrenzt. Darauffolgend werden die unterschiedlichen Möglichkeiten der Nanotechnologie erläutert. Es handelt sich um drei wesentliche Verbesserungen, darunter die Optimierung durch einen nanoporösen Separator, der Miniaturisierung der Batterie und der Optimierung der Anode. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Nanotechnologie schon heute für Hochleistungsbatterien sorgt, auch für die weitere Entwicklung der Batterie gilt die Nanotechnologie als Zukunftstechnologie

Schlagworte: Nanotechnologie, Lithium-Ionen-Batterie, Galvanische Zelle, Separatoren, Nano-Röhrchen, Kapazität

1 Einleitung

Das alltägliche Leben ist geprägt von der Nutzung elektrischer Energie. Schon seit der Entwicklung der Elektrizität, ist es der Wunsch der Menschheit diese Energie auch ohne Elektrisiermaschine nutzen zu können. Früh entwickelte man primitiven Speichermedien, um die Energie auch ortsunabhängig nutzen zu können. Der Siegeszug der Batterie begann.

Durch das Froschexperiment von Luigi Galvani, der Namensgeber der Galvanischen Zelle, konnte schon im Jahr 1789 die erste Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie nachgewiesen werden. In den darauffolgenden Jahrzehnten konnte die erste Batterie entwickelt und in einer Massenproduktion hergestellt werden. Diese Entwicklung mündete in der 1991 entwickelten Lithium-Ionen-Batterie.

Auch wenn die Batterie ein sehr reifes Produkt ist, welches für den alltäglichen Gebrauch konzipiert ist, so gibt es neue Herausforderungen, auf welche die Entwicklung der Batterie reagieren muss, darunter die E-Mobility. Ganz neue Ansprüche werden an die Batterie gestellt, allen voran die Energiedichte, welche gering ausfallen muss, damit die Fahrzeuge an Gewicht verlieren, die Kapazität, um die Reichweite der Fahrzeuge erhöhen zu können und der C-Rate, damit eine höherer Leistung erzielt werden kann.

Auf diese Herausforderung kennt die Forschung bereits eine Antwort – die Nanotechnologie. Auf verschiedene Arten wird der Aufbau der Batterie durch Nanomaterialien beeinflusst. Diese Entwicklung ist noch nicht gänzlich abgeschlossen, sondern ist bis zum heutigen Zeitpunkt ein großes Forschungsgebiet. In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der Nanotechnologie innerhalb der Batterietechnik erläutert und an Beispielen veranschaulicht.

1.1 Einführung in die Nanotechnologie

Im Folgenden wird eine Einführung in das Technologiefeld der Nanotechnologie gewährt. Der Begriff „Nanotechnologie“ setzt sich aus dem Wort „Nano“, welches dem griechischem entspringt und übersetzet „Zwerg“ bedeutet und dem Begriff „Technologie“ zusammen. Hierbei zeigt sich, dass sich die Nanotechnologie mit Materialien in sehr kleinen Größen beschäftigt. Es handelt sich um physikalische und chemische Prozesse im Nanometerbereich. (Leydecker, 2008, S. 11)

Für ein besseres Verständnis der Größenverhältnisse wird ein Nanometer mit bekannten Größen verglichen (Abbildung 1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Größe eines Nanometers verhält sich zu einer Orange, wie die Größe einer Orange zur Erdkugel. Somit kann sich ein Mensch diese unglaublich kleine Größe kaum vorstellen. Weitere Vergleiche zeigt Tabelle 1.

Tabelle 1: Beispielgrößen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Weiterhin spricht man auf atomarer Ebene von 5-10 Atomen pro Nanometer.

Durch das Zerteilen der Materialien werden chemische und physikalische Eigenschaften genutzt, welche nur zwischen atomarer und mesoskopischer Ebene auftreten. (Kiel, 2016) Als mesoskopisch wird der Übergang zwischen mikroskopisch und makroskopisch bezeichnet. Die Größen im mesoskopsichen Bereich liegen zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer. (Analytik-News, 2017)

Die International Organization for Standardization definiert die Nanotechnologie in der ISO/TC 229, welche sich mit dem Technologiefeld der Nanotechnologie auseinandersetzt, wie folgt: (International Organization for Standardization, 2005)

- „Das Verständnis und die Kontrolle von Substanzen oder Prozessen auf der Nanoebene, die typischerweise, aber nicht ausschließlich, in einer oder mehreren Dimensionen unterhalb von 100 Nanometern liegen und durch ihre größenabhängigen Effekte in der Regel neue Anwendungen hervorbringen.“

- „Die Nutzung von Eigenschaften nanoskaliger Materialien, die sich von den Eigenschaften einzelner Atome, Moleküle und Bulk-Materialien unterscheiden und dadurch verbesserte Materialien, Anwendungen und Systeme erzeugen, die diese neuen Eigenschaften anwenden.“

Das Verkleinern der Materialien auf atomare Ebene erhöht die Oberflächengröße des Materials. Dadurch findet ein größerer Kontakt zwischen dem Material und den umliegenden Materialien statt. Dieser Kontakt ändert die Materialeigenschaften. Typische Materialänderungen, welche man sich durch die Nanotechnologie zunutze macht, sind unteranderem folgende: (Chemie, 2016)

- Schmelzpunkt
- Fluoreszenz
- Elektrische Leitfähigkeit
- Chemische Reaktivität
- Härte

Aus der Vielzahl der Eigenschaftsänderungen, ergeben sich viele verschiedene Anwendungsbereiche. Die Abbildung 1.2 zeigt die verschiedenen Anwendungsfelder der Nanotechnologie.

Abbildung 1.2: Anwendungsgebiete der Nanotechnologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: (Frauenhofer, 2018)

In der vorliegenden Ausarbeitung beschäftigen wir uns mit dem Einsatz von Nanotechnologie in Lithium-Ionen-Batterien. In diesem Zusammenhang sind vor allem die elektrische Leitfähigkeit und die chemische Reaktivität von Bedeutung.

1.2 Einführung in die Batterietechnik

Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher und Energiewandler. Bei der Entladung einer Batterie wird chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die so entstandene Energie kann von einem vom Stromnetz unabhängigen Verbraucher genutzt werden. Es lassen sich verschiedene Zelltypen und Zellanordnungen unterscheiden.

1.2.1 Geschichte der Batterie

Kurz nach der Entdeckung der Elektrizität stellte sich die Frage, ob es auch möglich sei diese neue Art der Energie auch ohne Elektrisiermaschine verwenden zu können – also ob elektrische Energie gespeichert und ortsunabhängig verwendet werden kann. (Shine, 2017)

Die Geschichte der Batterie beginnt im Jahre 1789. Durch ein Forschungsexperiment von Luigi Galvani, der Erfinder der Galvanischen Zelle, konnte die erste Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie nachgewiesen werden. Hierfür steckte er Eisen- und Kupferstangen in Froschschenkel. Diese Stangen dienten als Elektroden. Das Salzwasser der Amphibie diente als Elektrolyt. Durch das Zucken der Froschschenkel konnte eine elektrische Aktivität nachgewiesen werden. Dieser Aufbau stellt die grundlegende Funktionsweise einer Batterie dar. (Rätikon Batterie AG, 2016)

Abbildung 1.3: Froschschenkelexperiment von Volta

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: (Lichtmikroskop.net, 2018)

Im Jahre 1800 konnte Alessandro die gewonnen Erkenntnisse nutzen und die weltweit erste einfach Batterie konstruieren. Der funktionelle Aufbau, bestehend aus Elektroden und einem Elektrolyt, ist derselbe, jedoch verwendete Volta nun Salzsäure als Elektrolyt. Ein wesentlicher Nachteil der Voltasäule war der vertikale Aufbau. Das Eigengewicht der Platten (Elektroden) drückte das Elektrolyt aus dem System. (Hörakustik, 2017) Dieser Fehler wurde durch die Trogbatterie von William Cruickshank behoben, da er seine Konstruktion in die Horizontale verlegte. (Hörakustik, 2017)

Der erste Akkumulator wurde im Jahre 1802 von Johann Wilhelm Ritter entwickelt. Der Grundaufbau der Voltasäule blieb vorhanden, jedoch verwendete Ritter nur Kupferplatten. Dieser Aufbau ermöglichte das Laden und Entladen der Konstruktion – der erste Akkumulator wurde entwickelt. (Hörakustik, 2017) 1899 wurde die erste alkalische Batterie produziert. Der Siegeszug der Alkan-Mangan-Zelle begann im Jahre 1960. (Rätikon Batterie AG, 2016)

Das Unternehmen Sony entwickelte im Jahre 1991 die erste Lithium-Ionen-Batterie Diese Batterie wird heutzutage in nahezu allen Mobilen Endgeräten, darunter Handys und Laptops, verbaut. Lithium-Ionen-Batterien bieten wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien, darunter eine höhere Energiedichte, eine lange Lagerfähigkeit und eine sehr weite Temperaturspanne. (Shine, 2017)

1.2.2 Zellarten

Bei der Batterie unterscheidet man zwischen drei Zellarten. Die Primärzelle, umgangssprachlich auch Batterie genannt, verursacht bei der Umwandlung von chemischer in elektronische Energie irreversible Schäden innerhalb der Zellen. Nach Verwendung der Batterie ist die Energie vollständig verbraucht und kann nicht erneut verwendet werden. Die Sekundärzelle zeichnet sich hingegen durch eine Wiederverwendung aus. Die chemischen Prozesse innerhalb der Batterie sind umkehrbar. Die Lithium-Ionen-Batterie ist eine Sekundärzelle, umgangssprachlich auch Akkumulator (Akku) genannt. (Rahimzei, Sann, & Vogel, 2015, S. 2) Eine weitere besondere Zelle stellt die Tertiärzelle dar. Einer Tertiärzelle, auch Brennstoffzelle genannt, werden die chemischen Energieträger von außerhalb hinzugeführt. Durch eine kontinuierliche Zuführung kann eine zeitlich nicht beschränkte Nutzung des Energieträgers gewährleistet werden. (Wengenmayr, 2006)

1.2.3 Zelltypen

Die Zelltypen unterscheiden sich im Wesentlichen durch den Aufbau der Batterie. Über die Zeit haben sich drei Zelltypen gebildet. Jeder Zelltyp verfügt über Vor- und Nachteile und wird in unterschiedlichen Bereichen verwendet. Die Prismatische Zelle, welche auch als Flach-Zelle bezeichnet wird, besteht aus einem harten, rechteckigen Gehäuse. Die Pole der Batterie befinden sich auf einer der flachen Außenränder und sind nebeneinander angeordnet. Durch eine große Oberfläche wird eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet. Die stabile Bauform und die verwendeten Materialien sorgen für einen idealen Schutz der Batterie und machen sie gegenüber äußeren Einflüssen sehr widerstandsfähig. Weiterhin ermöglicht die Form ein gutes Packaging, das bedeutet, dass mehrere kubische Batterien nebeneinander angeordnet werden können. Nachteilig sind ein teurer Produktionsprozess und eine geringe Energiedichte. (Voltabox, 2015) Im direkten Vergleich zur prismatischen Zelle steht die zylindrische Zelle. Diese ist zylinderförmig aufgebaut. Die beiden Pole befinden sich in gegenüberliegender Anordnung. Der zylindrische Aufbau kann sehr kostengünstig hergestellt werden und bietet eine hohe Energiedichte. Jedoch bedingt dieser Aufbau ein schlechtes Packaging, sowie eine schlechtere Wärmeabfuhr, im Vergleich zur prismatischen Zelle. (Voltabox, 2015) Die Pouch-Zelle ist die flexibelste Bauform, da sie über keine massive Außenhülle verfügt, sondern nur durch flexible Außenfolien umhüllt ist. Dieser Aufbau gewährleistet einige Vorteile gegenüber den anderen Zelltypen. Das Fehlen einer massiven Außenhülle reduziert maßgeblich das Gewicht. Der Aufbau der Batterie kann anwendungsspezifisch erfolgen und somit den Anforderungen an die Batterie angepasst werden. Weiterhin verfügt diese Batterie über die höchste Energiedichte. Anders als bei den anderen beiden Batterien ist die Form einer Pouch-Zelle nicht festgelegt. Die Fehlende Normung führt dazu, dass eine kaputte Zelle nicht ohne weiteres ausgetauscht werden kann. Weiterhin ist eine Pouch-Zelle empfindlich gegenüber Beschädigungen, da sie über kein „Hardcase“ verfügt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 27 Seiten

Details

Titel
Der Einsatz von Nanotechnologie in Lithium-Ionen-Batterien
Hochschule
Hochschule Darmstadt
Note
1,3
Autor
Jahr
2018
Seiten
27
Katalognummer
V418604
ISBN (eBook)
9783668677654
ISBN (Buch)
9783668677661
Dateigröße
1844 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Nanotechnolgie, Lithium-Ionen-Batterien
Arbeit zitieren
Erik Leitenberger (Autor), 2018, Der Einsatz von Nanotechnologie in Lithium-Ionen-Batterien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/418604

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