Sådan genoplader du et litiumbatteri korrekt

Litiumbatterier er en ideel strømløsning, der oplades hurtigt og holder længere end traditionel blybatteriteknologi. Men forkert opladning kan forkorte deres levetid betydeligt.

Litiumbatterier bør ikke trickle-oplades, da det kan beskadige cellerne ved at plettere litiummet ud og potentielt ødelægge dem helt. De skal i stedet oplades, indtil de når Stage 1 mætningsopladning.

Elektrolyt

Elektrolytter er væsker, der bruges til at føre strøm mellem elektroderne i litiumbatterier og kan enten være vandige eller organiske opløsningsmiddelbaserede, hvor førstnævnte giver højere energitæthed, men er mere brandfarlige, mens organiske opløsningsmiddelbaserede elektrolytter har tendens til at have reduceret flygtighed, men giver dårlig ydeevne; der forskes for nylig i at forbedre elektrolyttens ydeevne for at opnå højere ydeevneniveauer.

Elektrolytter består typisk af litium, men der kan også tilsættes andre grundstoffer for variationens skyld. Deres ioner er bundet tæt til en anode og en katode gennem interkalering; når ladede ioner binder sig til elektroner i deres værtsmateriale gennem denne metode. Når batteriet aflades, bliver dets ioner igen frie til at bevæge sig gennem elektrolytten mod katoden, hvor de frigiver disse elektroner, som flyder langs eksterne ledninger til brug som strøm.

Litium-ion-batterier har en høj energitæthed og kan genoplades flere gange. Vi finder dem i telefoner, digitale kameraer og bærbare computere i dag; men disse litium-ion-batterier har nogle betydelige ulemper, herunder termisk ustabilitet; hvis en anode f.eks. overophedes, kan der produceres ilt, som er brandfarlig - dette gælder også for nedbrydende katoder, som producerer ilt som en del af deres nedbrydningsproces.

Forskere gør fremskridt for at forbedre litiumbatteriers ydeevne gennem forskning i nye elektrolytter. Der findes to brede kategorier af elektrolytter: ioniske væsker og polymerelektrolytter. Ioniske væskeelektrolytter består af salte opløst i opløsningsmidler, der varierer i ledningsevne og spændingsstabilitet afhængigt af størrelsen på de kationgrupper og ethergrupper, der er opløst i dem, idet større kationer og ethergrupper generelt har lavere viskositet og smeltepunkter end deres modstykker.

Anode

Grafit er et ideelt materiale til at fungere som anode i litiumbatterier på grund af dets lave spændingskrav og ydeevne, høje energitæthed og evne til at interkalere litiumioner - det gør det muligt at lagre elektrisk ladning. Litiumioner bevæger sig fra anode til katode under opladningsprocesser, før de vender tilbage igen under afladning for at skabe elektricitet, der driver enheder som f.eks. mobiltelefoner eller køretøjer.

Opladning af litiumbatterier kræver, at man tilfører en ekstern elektrisk kilde med en overspænding. Det får elektroner til at strømme fra den positive (positivt ladede) anode mod den negative katode og flytte litiumioner mellem disse elektroder - elektrokemisk opladning er det, der giver litiumbatterier en så effektiv opladning.

Anodematerialer i litiumbatterier skal designes omhyggeligt for at kunne levere høj kapacitet med lang levetid. Anoden skal kunne lagre store mængder Li-ioner med minimal volumenudvidelse, samtidig med at den skal være elektrisk ledende, så Li-ionerne kan passere gnidningsløst gennem cellen.

Ud over at være sikre og miljømæssigt bæredygtige skal anodematerialer også være omkostningseffektive at bruge og sikre pålidelige operationer i forsyningskæden. Derfor går mange virksomheder over til at bruge genbrugsmaterialer til anoder og katoder; det reducerer ikke kun behovet for råmaterialer, men kan også spare på produktionsomkostningerne!

Først blev metallisk litium betragtet som det ideelle anodemateriale til litiumbatterier på grund af dets høje specifikke energikapacitet og sikkerhedsproblemer. Men med tiden skiftede forskningen til mere sikre materialer som koks og grafit, der giver større stabilitet, men har lavere kapacitet - selv om disse stoffer også giver problemer med dendritdannelse.

Katode

Katoder er de negative elektroder i et litiumbatteri. Ved opladning leverer et eksternt kredsløb energi, der får elektroner til at bevæge sig fra positive til negative elektroder og frigiver kemisk energi i form af litiumioner, der bevæger sig gennem en elektrolyt og bliver indlejret i katoden gennem indlejring, når de frigiver elektrisk ladning og bevæger sig frit inden for deres respektive celler.

Litiumbatterier bruger forskellige katodetyper til katoder. LiCoO2 er med sin manganspinelstruktur, der giver hurtig afladning og genopladning, stadig det mest populære katodevalg, men har lav specifik energi og kortere levetid sammenlignet med alternativer som nikkel-mangan-kobolt-grafit-katoder.

Forskere har arbejdet på at øge både kapaciteten og spændingen i LiCoO2 sammen med andre katodematerialer. En tilgang indebærer at kombinere LiCoO2 med andre materialer som silicium, der kan absorbere 10 gange flere lithiumioner end dets oprindelige form; gentagen indsættelse/udtrækning af Li+-ioner ind/ud af silicium kan dog få det til at danne en uønsket fast elektrolytgrænseflade (SEI), hvilket mindsker både katodernes ladningslagringskapacitet og cyklusstabilitet.

Forskningsindsatsen er i øjeblikket fokuseret på at skabe et katodemateriale med større specifik energi end grafit, der bruges i de fleste litium-ion-batterier. Potentielle alternativer omfatter carbon black, fluorofosfater og hårdt kulstof - og nogle virksomheder undersøger endda muligheden for at bruge grafen (et enkelt atom tykt ark kulstof) til både anoder og katoder.

Separator

Ved opladning og afladning af batterier fungerer en separator som en tynd membran mellem positive og negative elektroder, så litiumioner kan passere frit mellem positive og negative elektroder, samtidig med at den forhindrer dannelse af dendritter, der kan kortslutte eller antænde brande. Denne vigtige del er desuden nødvendig for at opretholde batteriets spænding i hele dets levetid.

Li-ion-batteriseparatorer skal ideelt set opfylde flere kriterier for at opnå optimal ydeevne; såsom at være ekstremt tynde, mekanisk stærke og elektrisk isolerende, samtidig med at de tillader ionisk transport og elektrolytoptagelse for at reducere cellens indre modstand. I praksis er dette ideal ofte svært at opnå; for at bekæmpe disse vanskeligheder er der blevet anvendt numeriske studier til at analysere separatorernes morfologiske egenskaber.

For at øge energitætheden i et batteri er det afgørende at mindske den indre modstand og øge ydeevnen. Dette kan opnås ved at ændre separatorens morfologi gennem kemisk modifikation, modifikation af overfladestruktur eller geometri.

Separatorernes termiske egenskaber spiller en afgørende rolle for batterisikkerheden, da deres form påvirker interfasestabiliteten og fast elektrolyt-grænsefladen (SEI). Desuden hjælper det med at forhindre kortslutninger mellem anode- og katodeelektroder og forlænger batteriets levetid.

Batterikarakterisering kan udføres ved hjælp af et multimeter eller oscilloskop for at vurdere et batteris opladnings- og afladningskapacitet. Et sundt batteri bestemmes, når dets kapacitet når 100% af dets nominelle kapacitet; denne tilgang kan dog vise sig at være unøjagtig, når det udsættes for kraftig brug; derudover kan det at stole udelukkende på cyklusser til måling af sundhed overestimere levetidsestimater.

Batteristyringssystem

Batteristyringssystemer (BMS'er) er vigtige komponenter i genopladelige batterier og sørger for sikker drift inden for sikre grænser, samtidig med at de optimerer ydeevnen og levetiden. BMS'er spiller en vigtig rolle i elektriske køretøjer, lagringssystemer til vedvarende energi og bærbar elektronik - og er desuden et uvurderligt aktiv for virksomheder, der bruger sol- eller vindgenerering til omkostningsbesparelser eller reduktion af nettoemissioner.

Litium-ion-battericeller skal fungere inden for bestemte spændingsgrænser for at minimere skader og forlænge cellernes levetid. Et BMS overvåger disse celler for at registrere over- og underspændingsforhold samt cellebalancering i batteristrenge med flere celler for at kompensere for svagere celler, der forkorter batteriets levetid. Et batteristyringssystem styrer også temperaturen for at sikre, at batteriet eller batterierne har et ideelt driftsområde.

Overophedning og overopladning er de to vigtigste årsager til skader på litiumbattericeller. Når cellerne bliver overophedede, opstår der kemiske reaktioner, som frigiver gasser, der slipper ud og potentielt ødelægger dem og skaber en brandrisiko. Et batteristyringssystem kan registrere overspændingsniveauer og stoppe opladningen af cellerne for at undgå problemer med overophedning.

BMS'er kan også beskytte mod interne kortslutninger ved løbende at overvåge hver enkelt celle i en batteripakke og videresende disse data til en central styreenhed. De kan også styre køleventilatorer i elbiler for at holde batteripakkens temperatur konstant.

Et batteristyringssystem skal indeholde en algoritme til styring af kontaktorer for at overvåge deres status og forhindre overopladning eller overafladning af battericeller samt identificere kontaktorfejl og slukke for strømkilder, når det er nødvendigt. Desuden skal et sådant system overvåge den samlede opladningstilstand (SoC) for at identificere, hvornår det kan være nødvendigt at genoplade eller udskifte batteriet; SoC-beregninger kan udføres ved at tilføje cellespænding med strøm, der kommer ind i eller forlader dens cellepakke.