Sådan fungerer genopladelige litiumbatterier

Når man sætter et batteri i en bærbar computer, en mobiltelefon eller et digitalkamera, strømmer der elektrisk energi mellem de positive og negative elektroder gennem kemiske reaktioner, hvilket giver elektrisk energi, som kan omdannes til nyttigt arbejde, f.eks. til at drive motorer eller pærer.

Litiumbatterier driver vores bærbare forbrugerelektronik og bruges også i elbiler og til energilagring.

Omkostninger

Genopladelige litiumbatterier driver mange forbrugerprodukter fra mobiltelefoner til bærbare computere samt adskillige energilagringssystemer i industrien og i hjemmet. Deres primære fordel i forhold til traditionelle blysyrebatterier er deres højere energitæthed; deres vigtigste mekanisme bruger en ionudvekslingsproces til at overføre energi mellem positive og negative terminaler. Da deres indre modstand stiger med cykling og alder, forhindrer et batteristyringssystem (BMS) dog, at det når en usikker tilstand.

Litium-ion-batterier er kendt for deres kompakte størrelse og lave vægt, hvilket gør dem til en fremragende løsning til mobile anvendelser. Når de bruges i håndholdt værktøj som boremaskiner, save og slibemaskiner, kan de bruges i længere tid uden at miste deres opladning eller skulle udskiftes; for ikke at nævne, at de er mere miljøvenlige end ikke-genopladelige alternativer.

Omkostningsbesparende teknologi, stigende efterspørgsel efter elbiler og lavere produktionsomkostninger har alle spillet en væsentlig rolle. Men litiumbatterier koster stadig mere end deres bly-syre-kolleger.

En faktor, der bidrager til denne omkostningsforskel, er de høje omkostninger, der er forbundet med råmaterialer til fremstilling af litium-ion-batterier. Litium og kobolt, to ædle og giftige metaller, der findes i batterier, er sjældne og dyre ressourcer, som skal skaffes fra hele verden for at kunne producere disse batterier. Efterhånden som efterspørgslen efter elbiler stiger og falder, bør litiumpriserne falde i takt med, at efterspørgslen falder; desuden åbner der nye batterifabrikker, og det kan få priserne til at falde yderligere og skubbe industrien i retning af omkostningskonkurrenceevne med traditionelle biler med forbrændingsmotor (ICE).

Prisovervejelser tager også højde for omkostningerne ved batteristyringssystemer (BMS'er), som hjælper med at kontrollere sikkerhedsforholdene. Et BMS kan forhindre, at batterierne oplades for hurtigt, hvilket er med til at sikre deres pålidelighed på lang sigt og sænke de samlede omkostninger.

Genopladelige litiumbatterier er allestedsnærværende i forbruger- og industriprodukter, og de er også hjørnestenen i et voksende marked for elektriske køretøjer (EV'er). I takt med at miljøhensyn og forbedret brændstofeffektivitet driver væksten i denne sektor, vil efterspørgslen efter litium-ion-batterier kun fortsætte med at stige med tiden.

Sikkerhed

Genopladelige litiumbatterier findes ofte i bærbar forbrugerelektronik, elektriske køretøjer og solenergilagringssystemer, men de kan udgøre en brandfare, hvis de bruges, oplades eller opbevares forkert. Beskadigelse eller overopladning kan få batterierne til at overophede og eksplodere, hvilket resulterer i brande, der truer virksomheder, bygninger og det naturlige miljø - det er derfor, NFPA tilbyder flere ressourcer, der fremmer sikker brug af litiumbatterier.

Litiumbatterier har positive elektroder lavet af litiumkoboltoxid (LiCoO2) og negative elektroder lavet af kulstof. En separator sidder mellem disse elektroder for at tillade ioner at passere frit gennem en elektrolytvæske; under opladning bevæger lithiumioner fra LiCoO2 sig mod kulstof for at skabe en elektrisk strøm; under afladning bevæger de sig tilbage mod LiCoO2, hvilket potentielt kan fremskynde denne proces på grund af overopladning, mekaniske skader eller ekstreme temperaturer.

Brande i litium-ion-batterier kan være svære for brandfolk at inddæmme og kan hurtigt sprede sig og forårsage omfattende skader på ejendom, bygninger og det naturlige miljø. Derfor er det afgørende at øge medarbejdernes bevidsthed om korrekt håndtering, brug, opbevaring og opladning af litiumbatterier.

Batterier skal opbevares i godt ventilerede områder, da de ikke reagerer godt på høje niveauer af varme og fugtighed. Desuden bør store litiumbatterilagre (som dem, der bruges i kraftværker og elbiler) holdes adskilt fra offentlige områder for at minimere brandrisikoen.

Vælg altid litiumbatterier og opladere, der er certificeret af et internationalt anerkendt testlaboratorium. Hold desuden nøje øje med alle enheder, der bruger disse batterier, og fjern dem, hvis de lugter mærkeligt, viser tegn på overophedning, ændrer form markant eller lækker eller ryger.

Forventet levetid

Litiumbatterier holder typisk i over 10 år, når de oplades og vedligeholdes korrekt. De er ideelle til elværktøj, bærbare computere, tablets, elbiler og mobilitetshjælpemidler, men hvor længe et litiumbatteri rent faktisk holder, afhænger af, hvordan det oplades, opbevares og bruges.

Litiumbatterier skal opbevares i et køligt og tørt miljø og genoplades efter hver brug og holdes på 30-50% opladningstilstand (SoC) for at forlænge deres levetid og forlænge den forventede levetid.

Litiumbatterier er designet til at fungere optimalt inden for et bestemt spændingsområde. Overdreven spændingseksponering kan have katastrofale følger for cellerne, forkorte den forventede levetid og øge sikkerhedsrisikoen. Når de oplades ud over de anbefalede spændingsgrænser, begynder litiumioner at aflejre sig ukontrolleret på anoderne, hvilket fører til fortykkede SEI-lag og reduceret kapacitet; nogle gange kan det endda forårsage brud eller eksplosion i cellerne!

Afladningsdybden (DoD) spiller en vigtig rolle for litiumbatteriets levetid. Afladning under 50% forkorter ikke kun driftstiden, men forringer også batteriets evne til at holde på opladningerne.

Vedligeholdelse af litiumbatterier kræver, at man bruger en oplader, der automatisk slukker, når batteriet er fuldt opladet, for at forhindre overopladning, som kan ødelægge interne komponenter og forkorte batteriets levetid.

Undgå ekstreme temperaturer, der kan påvirke litiumbatteriets levetid negativt, ved at holde temperaturen mellem 20-25 grader Celsius; det har vist sig at forlænge deres levetid med op til to gange mere sammenlignet med at bruge dem under ekstreme kulde- eller varmeforhold.

Anvendelser

Litiumbatterier har mange anvendelsesmuligheder, lige fra at drive mobiltelefoner og bærbare computere til at levere elektricitet til elbiler eller lagring af solenergi eller medicinske anvendelser som pacemakere. Litiumbatterier er meget lettere end blysyrebatterier og kan holde i længere tid uden at forringe deres ydeevne eller kapacitet. Hvert litiumbatteri består af en anode, en katode, en separator og en elektrolyt, som tilsammen udgør dets sammensætning. Litiumioner lagres både ved anoden og katoden, mens positive og negative strømsamlere er adskilt af elektrolyt. Når opladningen finder sted, flyder der en elektrisk strøm fra den positive til den negative strømaftager. Når litiumioner bevæger sig gennem elektrolytten og interagerer med en anode for at frigøre frie elektroner, som derefter strømmer igennem til de enheder, der får strøm, hvilket får dem til at generere elektricitet.

Litiummetalbatterier blev først skabt af Akira Yoshino, Stanley Whittingham og John Goodenough og er kendt som litiummetalceller. På grund af deres lette vægt og høje energitæthed blev disse litium-metal-batterier hurtigt populære, fordi de er lette at håndtere. Desværre skal litium-metalbatterier dog håndteres forsigtigt, da metal reagerer med elektrolyt og danner dendritter, som kan beskadige de ydre elektrodeoverflader og i sidste ende føre til, at en anode går i stykker med tiden.

Grafitanoder er den primære type anode i litiumbatterier, og de bruger interkalering til at lagre litiumioner mellem kulstoflagene i grafitstrukturen. Det gør det muligt at placere litiumioner mellem kulstoflagene i strukturen med henblik på lagring, hvilket giver mulighed for anoder med forskellige størrelser og former; i modsætning til siliciumanoder, der legeres med litium for at øge kapaciteten under opladnings-/afladningscyklusser.

Forskere udforsker nye materialer, der kan lagre flere litiumioner end grafitanoder for at øge kapaciteten i litiumbatterier, men det kræver meget arbejde og forskning at inkorporere disse nye materialer, da det kræver flere stadier af optimering og udvikling at danne batterier med fuld cellekemi, hvilket kan tage måneder og være økonomisk dyrt.