Hvordan fungerer et litiumionbatteri?

Litiumbatterier driver mange elektroniske enheter, fra bærbare datamaskiner og telefoner til energilagringssystemer. Den lette konstruksjonen gjør dem energirike og samtidig oppladbare, noe som gir maksimal levetid og pålitelighet.

Litiumionebatterier kan være farlige når de kastes. Lær hvordan du resirkulerer dem på en trygg måte her. Litium-koboltoksid (LiCoO2) og andre interkaleringsmaterialer brukes ofte i stedet for elementært litiummetall i litiumionebatterier.

Hva er et li-ion-batteri?

Litiumionbatterier (Li-ion-batterier) er mye brukt i elektroniske enheter som krever høykapasitets strømlagring, inkludert mobiltelefoner og bærbare datamaskiner, leker, håndholdte elektroverktøy og små apparater som håndholdte elektroverktøy og leker, samt elektriske kjøretøy og energilagringssystemer. Li-ion-batterier er viden kjent for sin lange levetid, høye energitetthet og gode belastningsevne, samt sin lange levetid. I motsetning til de konkurrerende teknologiene - nikkel-kadmium eller nikkel-metallhydrid - brytes de ikke ned ved regelmessig bruk, slik andre oppladbare teknologier som nikkel-kadmium eller nikkel-metallhydridbaserte teknologier som nikkel-kadmium eller nikkel-metallhydrid gjør.

Litiumbatterier produserer elektrisitet ved at litiumioner føres mellom den negative elektroden eller anoden og den positive elektroden eller katoden gjennom en elektrolyttløsning, noe som skaper strøm. De har en av de høyeste energitetthetene blant de oppladbare batteriteknologiene - de gir rundt 300 Wh/kg sammenlignet med rundt 75 Wh/kg for andre teknologier.

Litiumionebatterier inneholder flere komponenter som gjør dem trygge og pålitelige, for eksempel en separator som forhindrer at cellene kommer i kontakt med hverandre. Hvis denne separatoren forstyrres, kan det føre til varmeutvikling i cellen og brann. I tillegg har dette batteriet også en spenningsregulatorkrets og en ladetilstandsmåler som regulerer hvordan energien strømmer inn og ut av batteriet.

De aktive materialene i batteriene - de som utgjør katoden og anoden - kan være sammensatt av ulike grunnstoffer eller forbindelser. Noen av de mest populære alternativene er litiumkoboltoksid (LiCoO2), litiummanganoksid og litiumjernfosfat. Spesifikk energi og spesifikk effekt er viktige parametere ved valg av batterikjemi, som måler henholdsvis kapasitet og belastningsevne.

Andre viktige faktorer å ta hensyn til ved kjøp av batterier er fysiske egenskaper som størrelse, form og vekt. Hvilken type kjemi som velges, kan også ha stor betydning, ettersom ulike katodematerialer har bedre holdbarhet eller effektivitet enn andre - for eksempel kombinerer NMC-batterier nikkel-mangan-kobolt i anodene for å oppnå en optimal balanse mellom ytelse og kostnad. Strukturen motstår mekanisk stress bedre og har høy ladestrømskapasitet, noe som gir kortere syklustider uten kapasitetstap.

Hvordan fungerer et li-ion-batteri?

Litiumionbatterier driver de fleste bærbare datamaskiner, mobiltelefoner og annen forbrukerelektronikk, og de har til og med fått en økende markedsandel i bobiler, båter og dypsyklusbatterier. Men hva er egentlig litium-ion-batterier? De fungerer annerledes enn tradisjonelle bly-syre- og nikkel-kadmiumbatterier ved at litiumioner beveger seg mellom positive elektroder (katoder) og negative elektroder (anoder) og produserer en elektrisk strøm som driver enheten din.

Litium-ion-batterier består av tre hoveddeler: anode, katode og elektrolytt. Anoden er vanligvis laget av grafitt på grunn av dens utmerkede ledningsevne, mens katoden kan bestå av litiumkoboltoksid (LiCoO2) eller litiumjernfosfat (LiFePO4); begge elementene er atskilt av en separator som kun slipper gjennom elektroner.

Ladede batterier bruker litiumioner som beveger seg gjennom en elektrolytt og separator fra katode til anode via elektrolytt; positive og negative elektroder er begge dekket med aktive materialer (i hovedsak salter) for ladningsoverføring; når utladingen begynner, beveger litiumioner fra anoden seg mot katoden for å danne karbonbindinger med den og danne negative elektriske ladninger som trekker elektroner bort fra den enheten som batteriet driver.

Litium-ion-batteriteknologien skiller seg ut fra andre batteriteknologier ved at prosessen er reversibel. Ionene lagres i grafittanoden via interkalering, en innsettingsreaksjon med svært reversible egenskaper som gjør anoden ekstremt motstandsdyktig mot nedbrytning og sykling.

Litiumionebatterier har høy energitetthet sammenlignet med andre teknologier fordi de kan lagre flere litiumioner. Dessuten har de lavere selvutladningshastighet, noe som betyr at de varer lenger mellom hver lading - denne egenskapen gjør litiumionebatterier ideelle for bærbare datamaskiner og mobiltelefoner som brukes ofte.

Hva er de ulike typene li-ion-batterier?

Litium-ion-batterier har blitt en av de mest populære oppladbare batteriteknologiene for forbrukerelektronikk, takket være høyere energitetthet, moderat til høy cellespenning og lavere vekt sammenlignet med andre batterikjemier. Litium-ion-batterier forventes også å utkonkurrere andre batterityper innen transport og energilagring.

Før litium-ion-batterier ble populære, var oppladbare nikkel-kadmium-batterier (NiCad) den ledende teknologien for oppladbare batterier. NiCad-batterier bruker elektrodematerialer som nikkeloksidhydroksid og metallisk kadmium som elektrodematerialer - men de er raskt i ferd med å bli foreldet etter hvert som litiumionbatterier får fotfeste på markedet.

Litiumionbatterier finnes i mange varianter, og litiumkoboltoksidbatterier (LCO) er et av de mest populære. LCO-batterier har høy energitetthet og er mye brukt i mobile enheter som nettbrett, bærbare datamaskiner og digitalkameraer, i tillegg til at de er utbredt i elektriske kjøretøy.

LCO-batteriet har en ikke-vandig elektrolytt som består av organiske karbonater som etylen- og propylenkarbonat som inneholder komplekser av litiumioner. Batteriet oppbevares i en lufttett beholder for å unngå inntrenging av fuktighet. Som alle batterier forringes batteriets ytelse over tid ved bruk; varme og kalde omgivelser øker nedbrytningshastigheten, og det samme gjør sykluser med overlading/utlading som overskrider kapasitetsgrensene.

Litium-nikkel-mangan-koboltoksid-batterier (NMC) er en innovativ type litium-ion-batteriteknologi som er kjent for sin sikkerhet og lange levetid, og som ofte brukes i elbiler og andre høytytende applikasjoner.

I tillegg til å variere i størrelse og form, varierer litium-ion-batterier også betydelig i sammensetningen. Noen modeller har metallhus, mens andre har plasthus eller til og med er konstruert med solid state-teknologi.

Et elektrisk kjøretøy (EV) krever både et litium-ion-batteri og et batteristyringssystem (BMS), der sistnevnte skal forhindre overlading og kortslutning, overvåke status-/ytelsesdata om batteriets status/ytelse for rapporteringsformål og forsyne datasystemet med informasjon som er nødvendig for sikker drift av elbilen.

Hva er fordelene med li-ion-batterier?

Litium-ion-batterier har den høyeste energitettheten av alle dagens batterikjemier, noe som gjør dem til den ideelle løsningen for moderne miniatyrelektronikk og trådløse enheter. Litium-ion-celler inneholder heller ikke giftige metaller som nikkel-kadmium- og blyceller, noe som gjør dem tryggere å håndtere og kassere etter endt levetid.

De er mye lettere enn andre batterityper på grunn av kombinasjonen av karbon og litium som elektrodematerialer, ettersom litium kan lagres med høy tetthet i grafittanoder eller LiCoO2-katoder - ett litiumion for hvert sjette karbonatom - før det slippes ut ved katoden under utladningen. Litiumionene kombineres deretter med elektroner for å generere elektrisitet som driver telefonene og digitalkameraene våre.

Litium-ion-batterier skiller seg ut fra andre batterikjemier ved at de beholder ladingen mye lenger, og vanligvis bare mister rundt fem prosent hver måned. En typisk litium-ion-pakke mister vanligvis bare rundt 5 prosent.

Etter hvert som etterspørselen etter bærbar elektronikk, rene elektriske kjøretøy og stasjonær lagring øker i fremtiden, må energitettheten til litiumionebatterier øke ytterligere for å møte dem. En stor utfordring ligger i å øke kapasiteten til anodematerialer laget av hardt karbon eller grafitt. Silisium har den høyeste teoretiske kapasiteten (372 mAh g-1), men på grunn av dårlig syklingsstabilitet er det vanskelig å implementere i en elektrokjemisk celle.

Forskerne utforsker nye materialer som kan brukes som katoder og anoder i litiumionbatterier, og ledende polymerer er blant de mest populære. Blant disse polymerene er polyanilin (PANI), polypyrrol (PPY) og polytiofen (PT), som har høy ledningsevne ved romtemperatur samtidig som de er enkle å bearbeide til tynne plater med lave kostnader og minimale prosesseringsprosesser.

Litium-ion-batterier skiller seg ut ved å være spesielt motstandsdyktige mot termisk ustabilitet sammenlignet med andre batterikjemier, noe som ellers kan føre til farlig metallisk litiumbelegg eller en ukontrollerbar brann. Dette skyldes innebygde beskyttelseskretser i hver celle, som forhindrer at toppspenningen overskrider akseptable grenser under lading eller utlading, og som overvåker celletemperaturen for å unngå overoppheting.