Hvordan fungerer et litium-ion-batteri?

Litiumbatterier driver mange elektroniske enheder, fra bærbare computere og telefoner til energilagringssystemer. Deres lette konstruktion gør dem energirige og samtidig genopladelige for maksimal levetid og pålidelighed.

Litium-ion-batterier kan være farlige, når de kasseres; lær, hvordan du genbruger dem sikkert her. Litium-kobolt-oxid (LiCoO2) og andre interkalationsmaterialer bruges ofte i stedet for elementært litiummetal til konstruktion af litium-ion-batterier.

Hvad er et li-ion-batteri?

Litium-ion-batterier (Li-ion) anvendes i vid udstrækning i elektroniske enheder, der kræver høj kapacitet til lagring af strøm, herunder mobiltelefoner og bærbare computere, legetøj, håndholdt elværktøj og små apparater såsom håndholdt elværktøj og legetøj samt elektriske køretøjer og energilagringssystemer. Li-ion-batterier er kendt for deres lange levetid, høje energitæthed og gode belastningsevne samt deres lange levetid; i modsætning til deres konkurrerende teknologier - nikkel-cadmium eller nikkel-metal-hydrid - nedbrydes de ikke ved regelmæssig brug som andre genopladelige teknologier som nikkel-cadmium eller nikkel-metal-hydrid-baserede teknologier som nikkel-cadmium eller nikkel-metal-hydrid.

Litiumbatterier producerer elektricitet ved at føre litiumioner mellem deres negative elektrode eller anode og positive elektrode eller katode gennem en elektrolytopløsning, hvilket skaber elektricitet. De har en af de højeste energitætheder blandt genopladelige batteriteknologier - de leverer omkring 300 Wh/kg sammenlignet med omkring 75 Wh/kg for andre teknologier.

Litium-ion-batterier indeholder flere komponenter, der gør dem sikre og pålidelige, f.eks. en separator, der forhindrer cellerne i at røre hinanden. Enhver forstyrrelse af denne separator kan resultere i, at der opbygges varme i cellen, og at der opstår brand; desuden har dette batteri også et spændingsreguleringskredsløb og en opladningsmonitor til at regulere, hvordan energien strømmer ind og ud af det.

Aktive materialer i batterier - dem, der udgør katoden og anoden - kan være sammensat af forskellige elementer eller forbindelser; nogle af de mere populære muligheder omfatter litiumkobaltoxid (LiCoO2), litiummanganoxid og litiumjernfosfat. Specifik energi og specifik effekt giver vigtig vejledning, når man skal vælge batterikemi; dette måler henholdsvis kapacitet og belastningsevne.

Andre vigtige overvejelser, når man køber batterier, omfatter fysiske egenskaber som størrelse, form og vægt. Den valgte kemi kan også have stor indflydelse, da forskellige katodematerialer har større holdbarhed eller effektivitet sammenlignet med andre - for eksempel kombinerer NMC-batterier nikkel-mangan-kobolt i deres anoder for at opnå en optimal balance mellem ydeevne og pris; deres struktur modstår bedre mekanisk belastning og har en høj ladestrømskapacitet, der giver kortere cyklustider uden kapacitetstab.

Hvordan fungerer et li-ion-batteri?

Litium-ion-batterier driver de fleste bærbare computere, mobiltelefoner og anden forbrugerelektronik; de har endda vundet en stigende markedsandel til autocamper-, båd- og deep cycle-applikationer. Men hvad er litium-ion-batterier egentlig? De fungerer anderledes end traditionelle bly-syre- og nikkel-cadmium-celler, da litiumioner bevæger sig mellem positive elektroder (katoder) og negative elektroder (anoder) og producerer en elektrisk strøm, der driver din enhed.

Litium-ion-batterier består af tre hoveddele: anode, katode og elektrolyt. Anoden er typisk lavet af grafit på grund af dens fremragende ledningsevne, mens katoden kan bestå af lithiumkoboltoxid (LiCoO2) eller lithiumjernfosfat (LiFePO4); begge elementer er adskilt af en separator, der kun lader elektroner passere.

Opladede batterier bruger litiumioner, der bevæger sig gennem en elektrolyt og separator fra katode til anode via elektrolyt; positive og negative elektroder er begge dækket af aktive materialer (hovedsageligt salte) til ladningsoverførsel; når afladningen begynder, bevæger litiumioner fra anoden sig mod katoden for at danne kulstofbindinger med den og danne negative elektriske ladninger, som trækker elektroner væk fra den enhed, som batteriet driver.

Litium-ion-batteriteknologien skiller sig ud fra andre batteriteknologier i kraft af sin reversible proces. Ioner lagres i grafitanoder via interkalering, en indsætningsreaktion med meget reversible egenskaber, som gør anoden ekstremt modstandsdygtig over for nedbrydning og cykling.

Litium-ion-batterier har en høj energitæthed sammenlignet med andre teknologier, fordi de kan lagre flere litium-ioner. Desuden betyder deres lavere selvafladning, at de holder længere mellem opladningerne - denne egenskab gør litium-ion-batterier ideelle til bærbare computere og mobiltelefoner, der bruges ofte.

Hvad er de forskellige typer li-ion-batterier?

Litium-ion-batterier er blevet en af de mest populære genopladelige batteriteknologier til forbrugerelektronik takket være deres højere energitæthed, moderate til høje cellespændinger og lettere vægt sammenlignet med andre batterikemier. Li-ion forventes også at overgå andre typer inden for transport og energilagring.

Før litium-ion-batterier blev populære, var genopladelige nikkel-cadmium-batterier (NiCad) den førende genopladelige batteriteknologi. NiCads bruger elektrodematerialer som nikkeloxidhydroxid og metallisk cadmium som elektrodematerialer - men de bliver hurtigt forældede, efterhånden som litium-ion-batterier vinder indpas på markedet.

Litium-ion-batterier findes i mange varianter, og litium-koboltoxid-batterier (LCO) er et af de mest populære. LCO'er har en høj energitæthed og bruges i vid udstrækning i mobile enheder som tablets, bærbare computere og digitale kameraer, ligesom de er meget udbredte i elektriske køretøjer.

LCO-batteriet har en ikke-vandig elektrolyt, der består af organiske karbonater som ethylen- og propylenkarbonat, som indeholder komplekser af litiumioner. Det opbevares i en lufttæt beholder for at eliminere indtrængende fugt. Som alle batterier forringes dets ydeevne over tid ved brug; varme og kolde omgivelser fremskynder denne nedbrydning, ligesom overopladning/afladning, der overskrider kapacitetsgrænserne.

Litium-nikkel-mangan-kobolt-oxid-batterier (NMC) er en innovativ type litium-ion-batteriteknologi, der er kendt for sin sikkerhed og forlængede levetid, som ofte ses i elbiler eller andre højtydende applikationer.

Ud over at være forskellige i størrelse og form varierer litium-ion-batterier også betydeligt i deres sammensætning. Nogle modeller har et metalhus, mens andre har et plastikhus eller endda er konstrueret med solid state-teknologi.

En elbil kræver både et litium-ion-batteri og et batteristyringssystem (BMS), hvor sidstnævnte har til formål at forhindre overopladning og kortslutning, overvåge data om batteriets status/ydelse til rapporteringsformål og forsyne computersystemet med de oplysninger, der er nødvendige for sikker drift af elbilen.

Hvad er fordelene ved li-ion-batterier?

Litium-ion-batterier har den højeste energitæthed af alle nuværende batterikemier, hvilket gør dem til den ideelle løsning til moderne miniatureelektronik og trådløse enheder. Desuden indeholder litium-ion-celler ikke de giftige metaller, der findes i nikkel-cadmium- og blyceller, hvilket gør dem mere sikre at håndtere og bortskaffe, når de er udtjente.

De er meget lettere end andre batterityper på grund af kombinationen af kulstof og litium som elektrodematerialer, da litium kan lagres ved høje tætheder i grafitanoder eller LiCoO2-katoder - en litiumion for hver seks kulstofatomer - før det bevæger sig igennem for at blive afladet ved katoden under afladning; dets litiumioner kombineres derefter med elektroner for at generere elektricitet, der driver vores telefoner og digitale kameraer.

Litium-ion-batterier skiller sig ud fra andre batterikemier ved, at de bevarer deres opladning meget længere og typisk kun mister omkring fem procent hver måned. En typisk litium-ion-pakke taber typisk kun omkring 5 procent.

Efterhånden som efterspørgslen efter bærbar elektronik, rene elbiler og stationær lagring stiger i fremtiden, skal energitætheden i litiumionbatterier øges yderligere for at imødekomme dem. En stor udfordring ligger i at øge kapaciteten af anodematerialer lavet af hårdt kulstof eller grafit; silicium har den højeste teoretiske kapacitet (372 mAh g-1), men på grund af dårlig cyklusstabilitet er det vanskeligt at implementere i en elektrokemisk celle.

Forskere undersøger nye materialer til brug som katoder og anoder i litium-ion-batterier, og ledende polymerer er blandt de bedste valg. Sådanne polymerer omfatter polyanilin (PANI), polypyrrol (PPY) og polythiophen (PT), som udviser høj ledningsevne ved stuetemperatur, samtidig med at de er nemme at forarbejde til tynde plader med lave omkostninger og minimale forarbejdningsprocesser.

Litium-ion-batterier skiller sig ud ved at være særligt modstandsdygtige over for termisk ustabilitet sammenlignet med andre batterikemier, hvilket ellers kunne føre til farlig metallisk litiumbelægning eller en ukontrollerbar brand. Det skyldes indbyggede beskyttelseskredsløb i hver celle, som forhindrer, at dens spidsspænding overskrider acceptable grænser under opladning eller afladning, og som overvåger celletemperaturen for at undgå overophedning.