Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

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Re: Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

Beitragvon dkt » So 30. Jun 2013, 13:28

agentsmith1612 hat geschrieben:
Das Problem ist wohl nicht, dass der Schwefel mit dem Elektrolyt reagiert sondern, dass er untereinander mit sich selber reagiert zu Polysulfiden. Lange Ketten aus ganz vielen Schwefelatomen, wie bei Kunststoffen halt.
Weiterhin wird durch diese Titandioxidhülle, die Ausdehenung kontrolliert. Die Hülle ist so groß wie ein Schwefelpartikel im belandenen Zustand.

Ich glaube hier wird der Begriff Elektrolyt etwas durcheinander gebracht. Elektrolyten sind Flüssigkeiten die Ionen enthalten um die Leitfähigkeit zwischen Anoden und Kathode sicher zu stellen. Zwischen Anode und Kathode sitzt ein Seperator der nur die Ionen durchlässt die wichtig sind. In unserem Fall ist das Lithium. Lithium befindet sich also im Elektrolyten also einfach positiv geladenen Lithiumionen und wird in der Lathode auch immer als Lithiumionen eingebaut in der Anode hingegen wird es zunächst als positive Lithium aufgenommen erhält aber durch die Anode noch ein Elektronen und ist damit "elementares" Lithium welcher sich dann in einer Matrix befindet.

Eine Besonderheit des Li-Ion Akkus ist ja, dass Lithium sowohl die Reaktion "zur Gewinnung der Elektronen" macht, als auch das aktive Elektroylt Ionen ist welches dann zur Kathode-Anode wandert.

Die Schwefel Kathode und die Si-Anode haben zusammen das Potenzial in Zukunft unsere Akkus wirklich in Sachen Kapazität weiter nach Vorne zu bringen.


Hallo agentsmith 1612,

vielen Dank für Deine ausführliche Erklärung. Mir als Laien war schon immer nicht wohl dabei, darüber nachzudenken, wie der Lade- und Entlade-Vorgang mit Lithium denn nun wirklich funktioniert.

Mit Deiner Erklärung wird es, für mich, „lichter“.

Also zur Sicherheit wiederhole ich es mal mit meinen Wörtern, falls falsch verstanden, bitte ich Dich um die notwendige Korrektur - dafür schon jetzt, herzlichen Dank im Voraus:

„Lithium befindet sich im Elektrolyten als einfach positiv geladenes Ion. Beim Ladevorgang wird das in der Kathode als Lithium Ion eingebaut. Wenn es dann zur Entladung kommt, dann wandert das Li-Ion zur Anode und wird dort mit einem zusätzlichen Elektron versehen und eingelagert. D.h es ist dann im Aggregatzustand von (metallischem?) Lithium. Bzw. beim Laden wird wiederum, auf dem Weg durch den Separator und den Elektrolyt, in der Kathode, ein Li-Ion eingelagert, dem ein Elektron fehlt.

Mit anderen Worten, die Silicon-Graphen-Anode und die Schwefelkathode würden diesen Prozess nach vorne bringen. Oder auch die Hülle aus Titanoxyd ist genau so groß, wie ein mit einem Li-Ion geladenes Schwefelpartikel (Molekül??)."

Tut mir leid wenn ich so viel frage, aber das geht mir einfach nicht aus dem Kopf. Ich persönlich würde gerne die Batteriechemie mit ihren Reaktionen schon deswegen so gut verstehen wollen, weil damit sicherlich auch die Batterie im Elektroauto, von mir und meinem Verhalten, ganz anders behandelt werden könnte.

Vor allem interessiert mich auch, wo genau bei diesem Vorgang, in welchem Schritt, Wärme produziert (also Energie verloren) wird.

Grüße

Dieter
dkt
 
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Re: Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

Beitragvon agentsmith1612 » So 30. Jun 2013, 19:04

dkt hat geschrieben:
D.h es ist dann im Aggregatzustand von (metallischem?) Lithium. Bzw. beim Laden wird wiederum, auf dem Weg durch den Separator und den Elektrolyt, in der Kathode, ein Li-Ion eingelagert, dem ein Elektron fehlt.


Es ist genau umgekehrt.

Aber fangen wir einfach erstnochmal bei den Begriffen an, weil man sehr leicht verwirrt wird.

Anode: Die Elektrode an der eine Oxidation stattfindet, ein oder mehrere Elektronen werden an die Elektrode abgegeben
Kathode: Die Elektrode an der eine Reduktion stattfindet, ein oder mehrere Elektronen werden von der Elektrode abgegeben.

Bei Entlade und Ladevorgang ändert sich die Beizeichnung die Anode wird zur Kathode und umgekehrt, weil die Vorgänge eben andersrum stattfindet.
Wenn man bei Akkus aber von Anode spricht meint man immer die im normal Fall Graphitanode. Die Entladerichtung gibt sogsehen die Anode und Kathode vor.

Fangen wir jetzt nochmal beim Elektrolyt und den genauen Vorgängen an.

Ladevorgang: Das Lithiumion wandert durch den Seperator oder falls es schon dahinter ist nicht mehr, zur Anode (eigentich im Ladevorgang Kathode wie oben beschrieben ich sage aber jetzt immer Anode) wo es reduziert wird, also ein Elektron aufnimmt und damit eigentlich metallisches Lithium ist. (Ja da lagst du völlig korrekt). Da es aber in der Graphitmatrix eingelagert ist verhält es sich nicht wie metallisches Lithium. Es ist in der Matrix "interkalliert" so ist die richtige Bezeichnung dafür. Das macht das Material auch erst handhabar, ansonsten wäre reines Lithiumetall einfach zu gefährlich.

Entladevorgang:
Das Lithium wird oxidiert (gibt sein Elektronen ab) und geht in den Elektrolyten über, wandert durch den Sperator wo nur Li-Ionen durchkönnen. Die Kathode sagen wir jetzt mal ist ein Kobaltoxidmaterial (CoO2) in dem das Cobaltmetall formal vierfach positiv geladen ist. Durch das ankommende Elektron wird das Cobalt nur noch dreifach positiv geladen (es wird reduziert) und es bildet sich LiCoO2. Also eine Kristallstruktur in dem Lithium fest im Kristallgitter drin ist.

Beim Laden dann wieder wird Cobalt oxidiert es bildet sich CoO2 und Lithium wird "freigegeben". In Wirklichkeit geht da natürlich niemals aus einer Menge X an LiCoO2 auch die Menge X an Li raus sondern nur ein Teil, das können 50 % sein das können aber auch nur 25 % sein oder auch 75 %. Das ist halt alles chemisch durch die Stabilität der Strukturen bestimmt.

dkt hat geschrieben:
Mit anderen Worten, die Silicon-Graphen-Anode und die Schwefelkathode würden diesen Prozess nach vorne bringen. Oder auch die Hülle aus Titanoxyd ist genau so groß, wie ein mit einem Li-Ion geladenes Schwefelpartikel (Molekül??)."


Wie Schwefel nun in diesem speziellen Fall vorliegt kann ich nicht beantworten. Wenn man Schwefel verdampft liegt er im besten all als S8 Ring vor. Ein Ring aus 8 Schwefel Atomen. Es gibt im Feststoff aber mehrere Modifikationen (http://de.wikipedia.org/wiki/Schwefel#Cyclooctaschwefel)

In dem Fall denke ich, dass versucht wurde möglich homogene Partikel mit wenig Verzweigungsgrad zu erzeugen, diese dann mit Li zu beladen, warten bis sie sich voll ausgedeht haben um dann eine Hülle drum zu machen. Ich nehme an, dass die Hülle aber so Porös ist das Li-Ionen durch können Schwefelatome aber nicht.

Hier aber auch noch ein wichtiger Unterschied zu den Kathoden die sonst benutzt werden. In dem Fall wird auch auf der Kathoden Seite Lithium als metall in den Schwefel eingelagert und nicht eine zweite Komponente die das Elektron aufnimmt.
Wo genau jetzt aber dann der Potenzialunterschied herkommt weil wir ja auf Anoden und Kathoden Seite eigentlich Li oxidieren und reduzieren kann ich nicht erklären. Wundert mich selbst auch ein wenig, aber es wird ja von Kathode und reinem Lithium gesprochen in dem Artikel.

dkt hat geschrieben:
Tut mir leid wenn ich so viel frage, aber das geht mir einfach nicht aus dem Kopf. Ich persönlich würde gerne die Batteriechemie mit ihren Reaktionen schon deswegen so gut verstehen wollen, weil damit sicherlich auch die Batterie im Elektroauto, von mir und meinem Verhalten, ganz anders behandelt werden könnte.


Ist doch kein Problem, ich versuche gerne hinter die komplizierte Chemie zu blicken und es anderen möglichst verständlich näher zu bringen. Denn auch meine Komilitonen sind nicht sonderlich interssiert an Elektrochemie.

dkt hat geschrieben:
Vor allem interessiert mich auch, wo genau bei diesem Vorgang, in welchem Schritt, Wärme produziert (also Energie verloren) wird.


Wärme wird im Allgemeinen durch elektrischen Widerstand erzeugt. Das ganze System von Anode zu Kathode hat im Inneren einen gewissen elektrischen Widerstand der durch etliche Parameter bestimmt ist, hauptsächlich durch den Elektrolyt, der ja beim Li-Ion Akku nicht wässrig sein darf sondern ein organisches Lösungsmittel sein muss. Und jeder weiß eigentlich, dass organische Lösungsmittel schlechte Leiter sind. Um das zu umgehen werden Leitsalze eingesetzt. Die haben aber auch noch negative Effekte, die ich jetzt nicht weiter beschreiben möchte, es sei denn es ist gewünscht.
Aber ohne die geht es halt auch nicht.
Man muss sich auch immer vor Augen führen, dass wenn man dort für 1 min aus dem Akku bei 370 V mehrere 100A entnimmt diese Ladung auf im Inneren vom Akku von Anode zu Kathode durch die Lithiumionen wandert.
Dabei haben die Ionen gegen den Elektrolysten auch einen Strömungswiderstand der auch Wärme erzeugen kann.
Diese Li-Ionen Wanderungsgeschwindigkeit bestimmt auch die Leistungsdichte eines Akkus. Die maximale Leistungs pro Zeit die entommen werden kann ist maßgeblich von der mobilität der Lithiumionen abhängig. Das ist auch der Grund wieso nur Lithium eingesetzt werden kann, denn alle anderen Metallionen sind weniger mobil, weil sie größer sind.
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Re: Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

Beitragvon dkt » Mo 1. Jul 2013, 09:37

Hallo agentsmith1612,

herzlichen Dank für Deine ausführliche Erklärung zur Batteriechemie/funktion. Da musste ich so alt werden, bis ich mal das Glück hatte, dass mir jemand das Ganze verständlich erklärt.

Jetzt wächst bei mir eigentlich der Frust, dass wir in Deutschland ein so hochinteressantes Technologiethema, sang und klanglos an die Asiaten abgetreten haben.

Denn eines kann ich mir jetzt schon vorstellen, dass das „know-how“ vor allem in den Einzelheiten begraben liegt. Denn die Variablen in der Batteriefunktion sind sicherlich viele.

Nochmals vielen Dank für die gute und verständliche Erklärung. Langsam wächst auch mein Verständnis dafür, warum die Batterieentwicklung so viel Zeit verschlingt.

Grüße

Dieter
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Re: Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

Beitragvon agentsmith1612 » Mo 1. Jul 2013, 11:52

dkt hat geschrieben:
Jetzt wächst bei mir eigentlich der Frust, dass wir in Deutschland ein so hochinteressantes Technologiethema, sang und klanglos an die Asiaten abgetreten haben.

Nochmals vielen Dank für die gute und verständliche Erklärung. Langsam wächst auch mein Verständnis dafür, warum die Batterieentwicklung so viel Zeit verschlingt.


In Sachen Chemietechnologie sind die Asiaten keinesfalls einfach nur Kopierer oder Aufkäufer. Sie haben auch einige bemerkenswerte Entdeckungen gemacht.

Wieso die ganzen Akkugeschichten hauptsächlich in Asien produziert und entwickelt werden ? Ich kann nur spekulative Begründungen geben.
Ich denke, es liegt zum einen daran, dass dort geforscht wird wo auch produziert wird. Es ergibt nicht soviel Sinn hier in Europa eine Forschung vorranzutreibe wenn man ohnhin nicht Produzieren möchte/kann. Die Produktion ist wahrscheinlich wegen Rohstoffkosten und Umweltbedingungen in Asien. Die Asiaten wie Panasonic haben sich ein Know-How aufgebaut und eine Produktionskapazität die man nicht einfach "Kopieren" kann.
Ähnlich ist es in Deutschland beim Automobilbau, auch wenn es Verbrennerkisten sind von der Entwicklungs und Ingenieursleistung vor allem im Motorenbereich sind wir schon immer vorne gewesen. So ist das bei den Asiaten im Elektronik und Akku Bereich.

Ich glaube das größte Problem ist nicht die Chemie ansich dahinter, da kann man schnell vieles ausprobieren und wie oft haben wir von "Durchbrüchen" schon gehört die aber noch nicht auf dem Markt sind.
Weil es vom Labor bis in die Produktion ziemlich aufwendig ist. Wie macht man die Chemie in großen Zellen, wie automatisiert man das....usw.
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Re: Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

Beitragvon dkt » Di 2. Jul 2013, 10:43

agentsmith1612 hat geschrieben:
In Sachen Chemietechnologie sind die Asiaten keinesfalls einfach nur Kopierer oder Aufkäufer. Sie haben auch einige bemerkenswerte Entdeckungen gemacht.

Ich glaube das größte Problem ist nicht die Chemie ansich dahinter, da kann man schnell vieles ausprobieren und wie oft haben wir von "Durchbrüchen" schon gehört die aber noch nicht auf dem Markt sind.
Weil es vom Labor bis in die Produktion ziemlich aufwendig ist. Wie macht man die Chemie in großen Zellen, wie automatisiert man das....usw.


Hallo agenthsmith1612,

vor kurzem bin ich wieder auf eine Information gestoßen, derzufolge nun in Deutschland, endlich die Batterieforschung aktiviert wird.

Kick-off-Veranstaltung zum Projekt „Well2Battery2Wheel“ von Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (Darmstadt), Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (Kassel) und Justus-Liebig-Universität Gießen.

Zitat:

"In unterschiedlichen Teilprojekten erforschen die Experten die Anforderungen an den Energiespeicher im Einsatz als Traktionsbatterie und mobiler Speicher sowie die sich daraus ergebenden Anforderungen an das Elektrofahrzeug. Das Projekt an den drei Standorten Gießen, Darmstadt und Kassel wird vom Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst (HMWK) mit rund 700.00 Euro gefördert; 150.000 Euro fließen nach Gießen."

Zitat Ende.

Quelle:

http://www.uni-giessen.de/cms/ueber-uns ... /pm132-13/

Kann das wirklich in Deutschland wieder Kompetenz in Sachen Batterie aufbauen?

Grüße

Dieter
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Re: Lithium-Schwefel-Batterie – techn. Durchbruch

Beitragvon agentsmith1612 » Di 2. Jul 2013, 16:23

Ich muss hier etwas richtig stellen, was ich selber in diesem und in anderen Threads falsch dar gestellt habe.

Wir haben öfters schon von der Si-Anode und der S-Kathode gesprochen.
Ich schrieb desöfteren, dass man beides kombinieren könnte.

Dem ist aber nicht so.

Sofern man eine S-Kathode nutzt ist die Anode eine reine Lithiummetallfolie.
Das geht hierraus hervor: http://gm-volt.com/2013/07/02/a-lithium ... -from-now/

Im Falle von einer Si- Anode nutzt man als Kathode weiterhin die bekannten Verbindungen (das nehme ich an, genau weiß ich das auch nicht, werde ich aber noch rausfinde).

Zu dem letzten Post:
Deutschland kann in Sachen Batterie Know how Boden gut machen, denn wir haben hier in der Forschung Instrumente und Geräte zur Verfügung wo ein Gerät manchmal mehrere Millionen € kostet. Aber nur damit kann man tief in die Morphologie der Oberfläche und die Reaktionen dahinter blicken. Ebenso können wir damit Elektrolyten gnaustens untersuchen und deren Eigenschaften Charakterisieren.
Nicht zuletzt sag ich mal "boomt" die Batterie Forschung in Deutschland weil der Staat dort ordentlich Geld investiert. Es ist ja meist staatliche oder teilweise staatliche Unternehmen die dort tätig sind.

Wenn es aber um Produktion geht, dann sind wir derzeit eher schlecht aufgestellt. Wenn natürlich erst einmal die Forschung beendet ist und die fertige Technology nicht einfach und schnell kopiert werden kann weil es aufwendig ist dann gibt es Möglichkeiten das wirklich in Deutschland auch produziert werden kann, dazu müssen aber die Rohstoffpreise stimmen.

Ein Grund wieso in Deutschland auch solche Forschungen betrieben werden ist, dass wir als Deutsche gerne und auch weiterin in allen technsichen Belangen vorne bleiben wollen.
In Sachen Energiepolitik sind wir eigentlich die jenigen die die erneuerbaren Energien schon schnell vorrantreiben. (Sieht man ja an der erneuten Preiserhöhung die bald dank EEG wieder kommt.)
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