Sådan oplades litium-bilbatterier

Litiumbatterier bruges i vid udstrækning i bærbar forbrugerelektronik (telefoner og bærbare computere), hybridbiler og elbiler på grund af deres høje energitæthed, som gør det muligt for dem at lagre betydelige mængder strøm på trods af deres kompakte størrelse og vægt.

Hver battericelle indeholder positive katoder, grafitbaserede anoder og en elektrolytopløsning imellem dem; deres komplekse kemi indebærer, at litiumioner og elektroner sendes frem og tilbage gennem denne opløsning.

Hvordan fungerer de?

Litium-ion-batterier er en integreret del af moderne elektronik og elbiler, da de kan oplades og aflades gentagne gange uden at miste energi. Deres sammensætning omfatter kulstof- eller grafitpartikler, der er suspenderet i metaloxid- og litiumsaltopløsninger, som danner en elektrolyt, der producerer strøm. Når deres levetid er slut, kan litiumbatterier skilles ad til genbrug, og omkring 80 procent af komponenterne kan genbruges.

Li-ion-batterier er blevet utroligt populære på grund af deres overlegne energitæthed; disse celler har tre eller fire gange mere strøm pr. vægt end blysyrebatterier, de oplades hurtigt, og deres evne til at bevare opladningen selv efter dage eller uger uden brug, hvilket gør dem til det foretrukne valg til elværktøj, bærbare computere og andre mobile enheder.

Litiumioner, der bevæger sig fra en anode til katoden gennem elektrolytten, bevæger sig gennem interkalering; under opladning kommer de fysisk ind mellem 2D-lag af grafen i en anode til interkalering. Efter afladning sker det ad lignende veje, men elektroner, der frigøres fra metaloxidreaktioner, sendes tilbage gennem den og kombineres med grafit ved en anode til dannelse af lithiaterede kulstofforbindelser.

Producenterne begyndte at gå over til litium som energilagringskilde i begyndelsen af 1990'erne på grund af de dyrere og sjældnere materialer, der kræves til nikkel-cadmium- (NiCad) eller nikkel-metalhydrid- (NiMH) batterier. Litium giver også mulighed for flere opladnings- og afladningscyklusser.

Litium-bilbatterier udgør en særlig fare: termisk runaway. Det sker, når overopladning, kortslutning eller andre faktorer får dem til at overophede, hvilket fører til, at anodebelægningen går i opløsning, og elektrolytten lækker ud - hvilket potentielt kan udløse brande eller frigive giftige gasser - og dermed føre til brande eller udledning af giftige gasser. Du får optimale resultater, når du køber fra pålidelige producenter, der opretholder høje standarder for sikkerhed og holdbarhed.

Hvad er de vigtigste komponenter?

Litiumbatterier fungerer ved at sende litiumioner frem og tilbage mellem to elektroder - en positiv katode og en negativ anode - gennem en elektrolytopløsning, hvilket giver pålidelig strøm til bærbare elektroniske enheder, nødhjælpssystemer og endda radioer til amatørbrugere. Deres lave selvafladningshastighed gør også litiumbatterier ideelle til længere tids opbevaring, f.eks. i fjerntliggende områder, hvor der ikke er noget elnet.

Litiumbatteriers ydeevne afhænger i høj grad af de materialer, der vælges til elektroderne og elektrolytten. Anoder består typisk af grafit, mens katoder normalt består af litiummetaloxider som koboltoxid eller jernfosfat; en elektrolyt bestående af litiumsalte opløst i organisk opløsningsmiddel letter strømmen af ioner mellem elektroderne til opladning og lagring - hvilket skaber elproduktion og lagringskapacitet, der er ideel til elektriske køretøjer og andre anvendelser. Denne kombination gør det muligt for litiumbatterier at levere høje niveauer af energitæthed i en ekstremt kompakt og let pakke, hvilket gør dem til en fremragende mulighed for anvendelser som f.eks. opladning af elbiler eller opbevaringsanvendelser som f.eks. elektriske jernfosfatbatterier eller opbevaringsbehov som f.eks. elektriske jernfosfatbatterier.

Analytisk testning er afgørende i produktionen af litiumbatterier for at sikre, at deres sikkerhed eller kapacitet ikke forstyrres af urenheder som f.eks. jern. Jern kan hindre elektrokemiske reaktioner mellem anode- og katodeelektroder og forkorte batteriets levetid; desuden kan vand - som findes i alle batterielektrolytter i en eller anden grad - forkorte levetiden ved at øge korrosions- og kortslutningsproblemer.

Litium-ion-batterier er udviklet med sikkerhed for øje og er ofte langt mere sikre end deres bly-syre-modstykker, når de starter biler med forbrændingsmotor. Det skyldes til dels, at litiumbatterier er mindre tilbøjelige til at afgasse, hvilket kan resultere i brande eller eksplosioner, hvis de håndteres forkert, mens moderne litiumbatterier også har sikkerhedsventiler og strømafbrydelsesanordninger, der åbner som reaktion på for høj varme, tryk eller kemisk nedbrydning.

Råmaterialer, der er nødvendige for litiumbatterier, er rigelige og bredt tilgængelige over hele verden, selvom deres produktionskoncentration i nogle producentlande udgør nogle risici. For eksempel producerer Den Demokratiske Republik Congo i øjeblikket det meste kobolt til litiumbatteriproducenternes dynamiske efterspørgsel; dens udbud kan også blive påvirket af den aktuelle udvikling inden for cellekemi og -teknologi, der reducerer behovet for koboltkatoder eller endda helt eliminerer deres behov.

Hvordan opkræver de penge?

Litium-ion-batterier spiller en central rolle i vores liv hver dag med bærbare computere, mobiltelefoner og elbiler, der er afhængige af dem for at få strøm. Deres lette vægt, høje energitæthed og nemme opladning gjorde elbiler mulige, men litiumbatterier indebærer også risici; forkert opladning kan overophede dem og starte brande - det er derfor vigtigt, at folk forstår, hvordan litiumbatterier oplades korrekt, så de kan bruge dem sikkert.

Hvert batteri består af hundredvis eller endda tusindvis af let grødede elektrokemiske litium-ion-celler, der er anbragt tæt sammen og holdes sammen af flydende elektrolytopløsninger. De har typisk form af cylindriske eller poseformede celler med positive katoder (ofte bestående af metaloxider som nikkel-, mangan- og koboltoxider), der er forbundet med ledninger til negativt ladede grafitanoder via løst holdte ydre elektroner på deres litiumioner, der giver mulighed for kontakt frem og tilbage mellem elektroderne, hvilket resulterer i en kemisk reaktion, der lagrer elektrisk energi, som lagres som kemisk energi (dog med nogle tab på grund af lav coulombisk effektivitet under én).

Litiumbatteriopladere fungerer ved at hæve systemspændingen over batteriets spænding for at tilføre elektricitet til det, med BMS-overvågning for at sikre, at der ikke sker skadelige handlinger; hurtige opladningshastigheder bør også undgås, da de kan overophede katoder og forkorte levetiden.

En effektiv metode til opladning af litiumbatterier er at tilføre konstant strøm, indtil de når 4,2 volt pr. celle, og derefter gradvist reducere den, indtil 3 procent af kapaciteten er nået, hvorefter der slukkes. Denne proces er kendt som vedligeholdelsesopladning.

Hold nøje øje med temperaturen på dit batteri for at forlænge dets holdbarhed og forhindre for tidlig gasudvikling fra den kemiske nedbrydningsproces. Derfor er det klogt at opretholde omgivelsestemperaturen, når du opbevarer litiumbatterier udenfor i uopvarmede eller kolde omgivelser.

Hvordan udskrives de?

Litiumbatterier lagrer energi som litiumioner, der bevæger sig mellem elektroder (en positiv katode og en negativ anode) gennem en elektrolytvæske, kaldet en elektrolyt. Når det oplades, tilfører en ekstern strømkilde en overspænding til hver celle i et litium-ion-batteri for at tvinge elektroner fra den ene elektrode til den anden gennem elektrolytten - denne overførselsproces gør det muligt at oplade, da overførslen kan finde sted begge veje - så det er nemt for brugerne at måle kapacitet og spænding. Beregninger af spænding og kapacitet afhænger af antallet af celler og af, hvor godt de er konfigureret;

Litium-ion-batterier bruger en ionudvekslingsmekanisme, der giver et højt niveau af opladning pr. volumen og masse, hvilket skaber høj energitæthed og effekttæthed - kvaliteter, der gør dem til en meget efterspurgt teknologi i elbiler, der kræver store mængder energi for at komme fremad. Deres hurtige genopladningstid og høje afladningshastighed gør dem også velegnede til anvendelser, der kræver korte strømstød, som f.eks. kortvarige overspændinger.

Litium-ion-batteriers levetid afhænger af deres evne til at oplade og aflade over tid og til at fungere i ekstreme temperaturer. Med tiden forringes deres kapacitet, når anoden eroderer, elektrolytten fordamper, og den indre modstand øges - dette gradvise tab kaldes selvafladning, som kan stoppes ved at nedsætte opladningshastigheden, afladningsdybden eller ved at undgå eksponering for ekstreme forhold.

For at producere et litium-ion-batteri skal råmateriale som beta-spodumen først udvindes, knuses og males. Derefter skal det behandles med svovlsyre for at danne litiumsulfatopløsning, der senere kan renses ved hjælp af forskellige teknikker. Denne proces omfatter normalt udfældning, ionbytning og opløsningsmiddelekstraktion for at fjerne urenheder fra opløsningen. Når rent litiumsulfat er blevet isoleret, kan det omdannes til litiumkarbonat eller litiumhydroxid via kemiske reaktioner. Dette trin forbereder batteriet til brug i biler. Et litium-ion-batteri indeholder en brandfarlig flydende elektrolyt, som skal håndteres omhyggeligt for at beskytte både bilens beboere og passagerer.