Lithium-ion batterij

Lithium-ion batterijtechnologie biedt een geavanceerde oplaadbare energiebron voor gebruik in verschillende elektronische apparaten. Deze batterij maakt gebruik van de omkeerbare intercalatie van lithiumionen in negatieve koolstofelektroden via elektrochemische reacties met niet-waterige organische vloeibare elektrolytoplossingen.

Deze batterijen bevatten organische oplosmiddelen waardoor ze zeer ontvlambaar zijn. Daarom is het verstandig om ze niet in de buurt van metalen voorwerpen te bewaren om kortsluiting te voorkomen die tot brand kan leiden. Brand kan ook ontstaan door overladen of fysieke schade aan de cellen in deze batterijen.

Hoge energiedichtheid

De hoge energiedichtheid van lithiumbatterijen maakt ze tot een onschatbare energiebron voor draagbare elektronische apparaten, zoals mobiele telefoons, horloges, tablets, computers, elektrische auto's, drones en ruimtevaartapparatuur. Hun energiedichtheid maakt het mogelijk om grote hoeveelheden elektriciteit te leveren in kleine volumes en toch licht te blijven; de energiedichtheidsmeting meet hoeveel watturen (wh) een batterij kan opslaan in verhouding tot zijn gewicht; energiedichtheid verschilt van vermogensdichtheid, die meet hoeveel watt een batterij per uur of minuut kan leveren. Er moet echter worden opgemerkt dat beide metingen serieus moeten worden genomen voor een goede evaluatie van de prestaties van een batterij!

Lithium-ionbatterijen zijn elektrochemische cellen met twee vaste elektroden die verbindingen bevatten die bestaan uit lithiumatomen; meestal grafiet voor de negatieve elektrode en silicium voor de positieve elektrode. Silicium kan de capaciteit verhogen, terwijl een intercalatieverbinding zoals LiCoO2, LiFePO4 of lithiumnikkelmangaankobaltoxiden kan worden gebruikt als positieve elektrode. Tussen elke batterijcel bevindt zich een niet-waterige vloeibare elektrolyt zoals een organisch oplosmiddel zoals ethyleencarbonaat of propyleencarbonaat met daarin lithiumionencomplexen gedispergeerd.

Het opladen gebeurt door lithiumionen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode te verplaatsen en elektronen vrij te laten die langs een externe draad reizen om te werken. Omgekeerd keren ionen bij het ontladen terug van de anode naar de kathode en laten elektronen vrij die terugreizen naar de anode waar ze de lading door de elektrolyt naar buiten trekken en zo stroom creëren die onze apparaten van stroom voorziet.

Omdat onze vraag naar energie blijft toenemen, moeten batterijen meer energie leveren in een kleinere en lichtere verpakking. Om dit doel te bereiken zijn nieuwe elektrochemische systemen nodig met een aanzienlijk hogere energiedichtheid dan die welke momenteel beschikbaar zijn - deze accu's met een hoge energiedichtheid moeten energieproductie in balans brengen met stroomverbruik, levensduur en veiligheidsoverwegingen.

Oplaadbare lithiumbatterijen met kathodes van het insertiettype en anodes op basis van silicium hebben enorme belangstelling getrokken vanwege hun superieure energiedichtheid. Vergeleken met de huidige lithium-ion-accu's met intercalatietype kathodes en grafietanoden bieden deze nieuwe technologieën aanzienlijk meer vermogen in veel dunnere en lichtere cellen, waardoor hoop ontstaat op koolstofvrije mobiliteit en hernieuwbare energieoplossingen in de nabije toekomst.

Snel opladen

Opladen vindt plaats wanneer externe elektrische energiebronnen een overspanning (groter dan de spanning in de cel zelf) leveren aan een accu, waardoor elektronen van de positieve elektrode door elektrolytvloeistof naar de negatieve elektrode worden gedwongen, lithiumionen via intercalatie- of deintercalatieprocessen in of uit de anodes van poreus grafiet worden gedreven en chemische energie wordt gecreëerd die in de accu als potentiële energie is opgeslagen.

De snelheid waarmee reacties en transporten plaatsvinden is een integraal onderdeel van de accucapaciteit en -spanning. De capaciteit neemt ook toe met elk type kathodemateriaal dat wordt gebruikt, samen met andere overwegingen zoals coulombische efficiëntie, absorptie-/emissiekenmerken en de aanwezigheid van negatieve elektroden die dienen als omgekeerde elektrische pompen om lithiumionen te helpen transporteren.

Snelladen kan echter leiden tot degradatie van de anode - een onomkeerbaar capaciteitsverlies dat versnelt bij hogere temperaturen, overladen/ontladen, veel cycli of ouderdom. Bovendien kunnen elektrolyten ontleden en gas produceren dat de interne celdruk verhoogt in veeleisende apparaten zoals draagbare apparaten.

NREL's accu-onderzoek is gericht op het vinden van nieuwe technologieën die een balans vinden tussen energiedichtheid en snel opladen. Eén benadering zijn anodematerialen met een dubbele gradiënt die een gelijkmatigere verdeling van lithium-ionen over een elektrode mogelijk maken, waardoor massatransport sneller verloopt en concentratiepolarisatie, die degradatie veroorzaakt, afneemt.

Het verbeteren van de elektrische geleiding van een accu is een andere effectieve manier om de laadcapaciteit te verhogen, wat kan worden gedaan door de deeltjesgrootte van actieve materialen te veranderen, de poriën te vergroten of elektrodematerialen te veranderen. Een andere methode is het gebruik van grafiet met een meer korrelige structuur die de reisafstand van lithiumanode naar anode verkleint; Battrion, een spin-off bedrijf van het Swiss Federal Institute of Technology, kan het opladen versnellen door grafietvlokken op de negatieve elektrode in verticale rijen te ordenen.

Lange levensduur

Lithiumbatterijen werken door ionen te transporteren tussen positieve en negatieve elektroden om energie te leveren. In theorie zou dit mechanisme eeuwig moeten werken, maar cyclisch gebruik en hoge temperaturen verminderen de levensduur van de batterij; fabrikanten geven over het algemeen 300-500 ontlaad-/laadcycli op als de gemiddelde levensduur van hun batterijcellen.

Lithium-ion batterijen gaan meestal 2 tot 3 jaar mee of 500 keer opladen, wat het eerst gebeurt. Hun levensduur kan verder worden verlengd door actieve maatregelen te nemen om voortijdige degradatie te voorkomen.

Een van de belangrijkste componenten voor de levensduur van lithium-ion-accu's is het op een gemiddeld laadniveau (SoC) houden. Als accu's volledig opgeladen blijven, komen ze onder druk te staan omdat de elektrolyt ionen sneller naar de anodes moet verplaatsen dan tijdens het opladen, wat leidt tot sneller capaciteitsverlies en dus een grotere belasting van de cellen.

Het is ook belangrijk om de batterij onder optimale omstandigheden te bewaren. Extreme temperaturen moeten worden vermeden omdat deze kunnen leiden tot ontleding van de elektrolyt, waarbij gevaarlijke gassen vrijkomen die de batterijcellen kunnen aantasten. Bovendien kan veelvuldig en langdurig overladen het capaciteitsverlies versnellen.

Het gebruik van een anodemateriaal speelt ook een belangrijke rol bij het verlengen van de levensduur van lithiumbatterijen; grafiet is een van de meest gebruikte keuzes, hoewel onderzoekers nieuwe oplossingen onderzoeken die een hogere capaciteit bieden met minder materiaalgebruik en betere prestaties.

Kathodematerialen die worden gebruikt in lithium-ion-accu's bestaan meestal uit combinaties van lithium, kobalt en nikkel die efficiënt ionen opslaan. Het is belangrijk om in gedachten te houden dat zowel de anode als de kathode dezelfde spanningsniveaus moeten hebben om lithiumionen effectief te intercaleren; anders zal de levensduur drastisch afnemen.

Lithium-ion accu's moeten regelmatig worden opgeladen en ontladen om hun levensduur te verlengen en hun efficiëntie hoog te houden. Voor optimaal gebruik en opslag is het ook cruciaal dat er een geschikte lader wordt gebruikt en dat de richtlijnen van de fabrikant voor correct gebruik en opslag worden opgevolgd.

Lichtgewicht

Lithiumbatterijen zijn aanzienlijk lichter dan hun tegenhangers dankzij de lichtgewicht materialen die worden gebruikt voor hun elektroden (koolstof en lithium), waardoor ze gemakkelijker kunnen worden getransporteerd en geïnstalleerd in elektronische apparaten.

Lithiumbatterijen staan erom bekend dat ze hun lading na verloop van tijd behouden, waardoor oplaadsessies aanzienlijk korter duren. Lithiumbatterijen verliezen doorgaans minder energie dan andere soorten batterijen zoals nikkel-metaalhydride (NiMH), die tot 20% per maand kunnen verliezen.

Lithium batterijen bieden nog een voordeel ten opzichte van hun tegenhangers: veiligheid. Dit is te danken aan het feit dat ze minder warmte genereren tijdens het opladen en ontladen in vergelijking met andere batterijtypen; hierdoor worden branden of explosies voorkomen die bij sommige andere typen wel kunnen optreden.

Welke lithiumbatterij je kiest, hangt af van je specifieke vereisten. Als je bijvoorbeeld van plan bent om je batterij bij koude temperaturen te gebruiken, kies dan een lithium-ijzerfosfaatbatterij met een anode van poreuze koolstof en kathodes van metaaloxide. Lithiumionen verplaatsen zich via een elektrolytoplossing tussen deze elektroden om elektriciteit te maken wanneer ze worden opgeladen.

Lithium-mangaankobaltoxide batterijen bieden een uitzonderlijk hoge energiedichtheid. Hun kathodes bevatten lithium-mangaankobalt (of spinel), met structuren die zijn ontworpen om de stroomverwerking te verhogen en tegelijkertijd de interne weerstand te verlagen - dit batterijtype is vaak te vinden in smartphones, digitale camera's en laptops.

Lithium-ion batterijen bieden veel voordelen waardoor ze de keuze bij uitstek zijn om onze alledaagse elektronica van stroom te voorzien, van mobiele telefoons tot elektrische auto's. Ze zijn niet alleen gemakkelijk op te laden, maar ook veilig. Ze kunnen niet alleen gemakkelijk worden opgeladen, maar zijn ook ongeëvenaard veilig. Bovendien moet het recyclen van deze batterijen op de juiste manier gebeuren met behulp van de links van het EPA.