Sådan forlænger du et litiumbatteri

Lithiumioner ved anoden bevæger sig gennem en elektrolyt for at nå katoden, hvor de kombineres med elektroner for at generere en elektrisk ladning, der gør det muligt at levere strøm, når det er nødvendigt. Dette skaber batteriets unikke strømforsyningssystem.

De seneste fremskridt inden for valg af siliciumanodemateriale har til formål at forhindre, at Li-ioner bliver fanget i elektrolytvæggene og forbedre deres reversibilitet [155].

Længere levetid

Litiumbatterier giver strøm til millioner af liv hver dag - fra bærbare computere og mobiltelefoner til hybrid- og elbiler. Deres fordele spænder fra høj energitæthed, lav vægt, hurtige opladningshastigheder og længere levetid end blybatterier. Nøglen til at forlænge litiumbatteriers levetid ligger i at forstå, hvordan dit litiumbatteri nedbrydes over tid, og tage proaktive forholdsregler for at forlænge det - det inkluderer at forstå, hvilken type litiumbatteri der har brug for mere specifik pleje med hensyn til opladningshastighed, afladningsdybde, belastning osv - plus at undgå almindelige fejl såsom overopladning og ophold ved høje temperaturer.

Li-ion-batterier mister gradvist kapacitet over tid på grund af kemiske reaktioner, der nedbryder elektroder og elektrolyt, øger den interne modstand og forkorter driftstiden. Denne proces finder sted, uanset om dit batteri cykler regelmæssigt eller står ubrugt hen - men regelmæssige cyklusser og opbevaring ved en kølig temperatur kan hjælpe med at bremse denne nedbrydningsproces betydeligt.

Litiumbatteriers cyklusantal afhænger af opladnings- og afladningsforhold samt driftstemperatur. Forbrugerenheder oplader dem typisk til 4,20 V pr. celle for at maksimere kapacitet og driftstid; industrielle anvendelser bruger dog ofte lavere spændingsgrænser som dem, der findes i satellitter eller elektriske køretøjer for at øge levetiden.

For at få optimal batterilevetid skal du undgå hurtigopladere, da de hurtigt opvarmer og nedbryder batterierne. Begræns desuden, hvor ofte du aflader det, da det øger dets indre modstand og forkorter driftstiden og cykluslevetiden.

Ionics lithiumbatterier har en gennemsnitlig levetid på 3.000 til 5.000 fulde cyklusser med 80% kapacitet tilbage, hvilket opnås ved kun at bruge lithiumjernfosfat (LiFePO4)-materialer af højeste kvalitet, der er designet til kompatibilitet med forskellige belastninger og opladere, og Bluetooth-overvågning, der giver oplysninger om opladningstilstand i realtid og beregner resterende driftstid - hvilket giver vores marinekunder ro i sindet, når de planlægger fremad og skal bruge deres batteri, når de har mest brug for det.

Højere energitæthed

Litiumbatterier er meget energitætte, hvilket betyder, at de lagrer en betydelig mængde strøm på lidt plads (for at citere professor Paul Christensen). For at omdanne kemisk energi til elektrisk strøm skal litiumioner bevæge sig mellem en anode og en katode gennem en porøs anode-katode-separator og et elektrolytlag; gentagen opladning og afladning vil forbedre ydeevnen betydeligt over tid.

Der findes forskellige slags genopladelige litiumbatterier på markedet, som hver især har deres egen interne kemi. Nogle koster måske mere end andre, men alle har højere energitæthed end blybatterier - hvilket betyder, at de kan lagre mere elektrisk ladning pr. kg eller volumen og derfor giver længere rækkevidde eller flere timers brug af elværktøj uden at øge størrelsen eller vægten væsentligt.

Batteriteknologien er i konstant udvikling, og forskere leder hele tiden efter måder at forbedre eksisterende komponenter på. Professor Corie Cobb fra ME og hendes forskning i Integrated Fabrication Lab fokuserer på at designe 3D-elektrodearkitekturer, der strømliner batterifremstillingen; J Devin MacKenzie fra både ME og MSE-fakultetet (Materials Science & Engineering) udforsker også strukturelt konstruerede antimonlegeringer som batterimaterialer.

Energitæthed er en af de vigtigste parametre for ethvert batteri. Den måler, hvor meget energi en celle eller et batteri kan indeholde pr. masse- eller volumenenhed, hvilket gør den særlig kritisk i applikationer som f.eks. elbiler, der har brug for lang rækkevidde med håndterbare krav til vægt og størrelse.

Batterier med højere energitæthed giver længere driftstid, før de skal genoplades, hvilket hjælper med at reducere brændstofforbruget og vedligeholdelsesomkostningerne, samtidig med at mindre batterier passer bedre ind i køretøjsdesignet og giver mere kraft til acceleration eller opgaver med høj belastning.

Batterier med højere energitæthed kan reducere deres samlede størrelse og vægt betydeligt, hvilket gør dem særligt nyttige til bærbar elektronik og elektriske køretøjer, hvor hvert eneste kilo tæller. Desværre kan batterier med høj energitæthed have mindre end ideelle spændingsprofiler til visse anvendelser og giver måske ikke et hurtigt strømudbrud, når det er nødvendigt.

Hurtigere opladning

Efterhånden som flere og flere går over til elbiler, stiger efterspørgslen efter litiumbatterier, der oplades hurtigt. Mens traditionelle blybatterier kun når en afladningsdybde på 50%, har litium-ion-batterier en afladningsdybde på 99%, hvilket gør dem ideelle til strømkrævende anvendelser som elbiler. Deres hurtigere opladningshastighed resulterer også i kortere genopladningstider.

Litium-ion-batterier bruger to elektroder, der består af henholdsvis metaloxid og porøst kulstof, til at lagre energi. Under opladning bevæger ioner sig frit mellem disse elektroder gennem en elektrolyt og en separator; ved afladning gennemgår anoden oxidation og tab af elektroner, og ved genopladning vender de tilbage til katoden, og denne cyklus fortsætter i det uendelige.

Ingeniører har udviklet materialer som f.eks. silicium-, germanium- og antimonlegeringer, der bedre kan lagre litiumioner end grafitanoder ved at interkalere disse ioner mellem lag af grafen. Desværre ændrer disse legeringsmaterialer sig fysisk under opladnings- og afladningscyklusser, hvilket kan føre til tab af ydeevne eller fejl.

Forskere fra Cornell University har opdaget en metode til at minimere ændringer i fysisk volumen, hvilket muliggør højtydende litiumbatterier med hurtigere opladningshastigheder. Ved at tilføje indium (som normalt bruges til belægninger på berøringsfølsomme skærme) reducerede deres team energibarriererne mellem elektroderne, hvilket gjorde det lettere for ioner at bevæge sig mellem elektroderne.

Forskerne advarede om, at det er vigtigt at være opmærksom på de ulemper, der er forbundet med hurtig opladning. Hurtigere opladning kræver betydeligt højere strøm og effekt, hvilket kan reducere batteriets levetid betydeligt - dette var især udbredt blandt litium-ion-batterier.

Eksperter anbefaler, at man følger de anbefalede opladningshastigheder fra batteriproducenterne for at maksimere batteriets levetid, og det anbefales, at Power Cells oplades ved 1C for at sikre, at deres anode og katode ikke udsættes for overspænding; men for elbilister er det måske ikke altid muligt på grund af de begrænsede køreafstande, der er mulige med litium-ion-batterier.

Lavere omkostninger

Litiumbatterier har mange fordele i forhold til blybatterier, bl.a. på omkostningssiden. Da litiumceller holder længere, vejer mindre og arbejder mere effektivt, gør deres omkostningseffektive natur dem til den bedste investering over tid - og sparer dig penge ved hvert køb eller hver udskiftning samt på brændstof til motorer eller generatorer.

Litium-ion-batterier er blevet en utrolig populær strømkilde til forbrugerelektronik, hybridbiler og elbiler på grund af deres lette vægt og høje energitæthed. Deres design giver mulighed for at øge kapaciteten, samtidig med at det fører til betydelige omkostningsreduktioner. Dette design har resulteret i, at kapaciteten er blevet øget, samtidig med at omkostningerne er blevet reduceret betydeligt.

Efterhånden som teknologien har udviklet sig, har producenterne været i stand til at reducere omkostningerne yderligere ved at bruge bedre materialer og optimere produktionsprocesserne. Lean-produktionsmetoder, der fokuserer på at minimere spild og samtidig optimere produktiviteten, er særligt lovende metoder til at nedbringe omkostningerne i forbindelse med batteriproduktion.

Sikkerhedsspørgsmål er stadig en af de største hindringer for udbredelsen af litium-ion-batterier, med termisk løbsk (en række kemiske reaktioner, der fører til brand) som en af de vigtigste. Litium-ion-batterier kan være modtagelige for dette problem, hvis deres katoder eller anoder udvikler revner eller kortslutninger; men forbedringer i cellekemi og emballageteknologier har gjort disse batterier mere sikre end nogensinde.

Litium-ion-batterier er blevet det foretrukne valg til UPS-applikationer på grund af deres lavere samlede ejeromkostninger, især med trefasede UPS-enheder, der har tendens til at være større og dyrere end deres enfasede modstykker.

Efterhånden som litiumindustrien udvikler sig, åbner nye innovationer som tør litiumpolymer op for spændende nye muligheder for batterikemier og -design. Disse fremskridt lover længere cykluslevetider med dybere afladningsdybder uden risiko for termisk runaway eller andre sikkerhedsproblemer - hvilket betyder, at vi måske vil se litium-ion-batterier blive endnu mere udbredte i applikationer end tidligere.