Een lithiumbatterij correct opladen

Lithiumbatterijen bieden een ideale energieoplossing, ze laden snel op en gaan langer mee dan traditionele loodzuurbatterijtechnologie. Onjuist opladen kan de levensduur echter aanzienlijk verkorten.

Lithiumbatterijen mogen niet druppelladen, omdat dit hun cellen kan beschadigen door lithiummetaal uit te plating, waardoor ze mogelijk volledig worden vernietigd. In plaats daarvan moeten ze worden opgeladen tot fase 1 verzadigingslading is bereikt.

Elektrolyt

Elektrolyten zijn vloeistoffen die worden gebruikt om stroom te geleiden tussen elektroden in lithiumbatterijen en kunnen waterig of op basis van organische oplosmiddelen zijn, waarbij de eerstgenoemde een hogere energiedichtheid bieden maar ontvlambaarder zijn, terwijl elektrolyten op basis van organische oplosmiddelen over het algemeen minder vluchtig zijn maar minder goed presteren; er wordt recent onderzoek gedaan naar het verbeteren van de prestaties van elektrolyten om hogere prestatieniveaus te bereiken.

Elektrolyten bestaan meestal uit lithium, maar voor de variatie kunnen ook andere elementen worden toegevoegd. De ionen zijn stevig gebonden aan een anode en kathode door middel van intercalatie; geladen ionen hechten zich op deze manier aan elektronen in hun gastmateriaal. Wanneer de batterij ontlaadt, zijn de ionen weer vrij om door de elektrolyt naar de kathode te reizen waar ze deze elektronen loslaten die langs externe draden stromen om als stroom te worden gebruikt.

Lithium-ion batterijen bieden een hoge energiedichtheid en zijn meerdere keren oplaadbaar. We vinden ze tegenwoordig in telefoons, digitale camera's en laptops; deze lithium-ionbatterijen hebben echter een aantal belangrijke nadelen, waaronder thermische instabiliteit; als bijvoorbeeld een anode oververhit raakt, kan er zuurstof worden geproduceerd dat brandbaar is - dit geldt ook voor afbrekende kathodes die zuurstof produceren als onderdeel van hun vervalproces.

Onderzoekers maken vorderingen om de prestaties van lithiumbatterijen te verbeteren door onderzoek naar nieuwe elektrolyten. Er zijn twee grote categorieën elektrolyten: ionische vloeistoffen en polymeerelektrolyten. Ionische vloeistoffen bestaan uit zouten opgelost in oplosmiddelen die variëren in geleidbaarheid en spanningsstabiliteit afhankelijk van de grootte van de kationgroepen en ethergroepen die erin zijn opgelost, waarbij grotere kationen en ethergroepen over het algemeen een lagere viscositeit en smeltpunt hebben dan hun tegenhangers.

Anode

Grafiet is een ideaal materiaal om als anode te dienen in lithiumbatterijen vanwege de lage spanningsvereisten en prestatiemogelijkheden, de hoge energiedichtheid en het vermogen om lithiumionen te intercaleren - hierdoor kan het elektrische lading opslaan. Lithiumionen bewegen tijdens het opladen van de anode naar de kathode en keren tijdens het ontladen weer terug om elektriciteit te creëren die apparaten zoals mobiele telefoons of voertuigen van stroom voorziet.

Het opladen van lithiumbatterijen vereist het toepassen van een externe elektrische bron met een overspanning. Hierdoor stromen elektronen van de positieve (positief geladen) anode naar de negatieve kathode en bewegen lithiumionen tussen deze elektroden - elektrochemisch opladen is wat lithiumbatterijen zo efficiënt oplaadt.

Anodematerialen in lithiumbatterijen moeten zorgvuldig worden ontworpen om een hoge capaciteit te leveren met een lange levensduur. De anode moet grote hoeveelheden Li-ionen opslaan met minimale volume-expansie en tegelijkertijd elektrisch geleidend zijn om een soepele doorgang van Li-ionen door de cel mogelijk te maken.

Anodematerialen moeten niet alleen veilig en duurzaam voor het milieu zijn, ze moeten ook kosteneffectief in het gebruik zijn en een betrouwbare supply chain garanderen. Daarom kiezen veel bedrijven voor gerecyclede materialen voor anoden en kathoden; dit scheelt niet alleen in de behoefte aan grondstoffen, maar het kan ook besparen op de productiekosten!

Aanvankelijk werd metallisch lithium beschouwd als het ideale anodemateriaal voor lithiumbatterijen vanwege de hoge specifieke energiecapaciteit en de veiligheidsproblemen. Maar na verloop van tijd verschoof het onderzoek naar veiligere materialen zoals coke en grafiet, die een grotere stabiliteit bieden bij een lagere capaciteit - hoewel deze stoffen ook problemen geven met dendrietvorming.

Kathode

Kathoden zijn de negatieve elektroden in een lithiumbatterij. Tijdens het opladen levert een extern circuit energie die ervoor zorgt dat elektronen van de positieve naar de negatieve elektroden bewegen en chemische energie vrijmaken in de vorm van lithiumionen die door een elektrolyt reizen en door intercalatie in de kathode worden ingebed, terwijl ze elektrische lading afgeven en vrij bewegen binnen hun respectieve cellen.

Lithiumbatterijen maken gebruik van verschillende soorten kathodes. LiCoO2, met zijn mangaan-spinelstructuur die zorgt voor snelle ontlaad- en oplaadsnelheden, blijft de populairste kathode, maar heeft een lage specifieke energie en een kortere levensduur vergeleken met alternatieven zoals nikkel-mangaan-kobalt-grafiet kathodes.

Wetenschappers hebben gewerkt aan het verhogen van zowel de capaciteit als de spanning van LiCoO2, samen met andere kathodematerialen. Eén benadering bestaat uit het combineren van LiCoO2 met andere materialen zoals silicium dat 10 keer meer lithiumionen kan absorberen dan de oorspronkelijke vorm; het herhaaldelijk inbrengen/uittrekken van Li+ ionen in/uit silicium kan er echter toe leiden dat het een ongewenste vaste elektrolyt-interface (SEI) vormt, waardoor zowel de opslagcapaciteit als de cyclusstabiliteit van kathoden afneemt.

Onderzoek richt zich momenteel op het maken van een kathodemateriaal met een grotere specifieke energie dan grafiet, dat in de meeste lithium-ionbatterijen wordt gebruikt. Potentiële alternatieven zijn onder andere roet, fluorfosfaten en harde koolstoffen - sommige bedrijven onderzoeken zelfs het gebruik van grafeen (een vel koolstof van één atoom dik) voor zowel anodes als kathodes.

Scheider

Bij het opladen en ontladen van accu's fungeert een separator als een dun membraan tussen de positieve en negatieve elektroden, waardoor lithiumionen vrij tussen de positieve en negatieve elektroden kunnen passeren en dendrietvorming, die kortsluiting of brand zou kunnen veroorzaken, wordt voorkomen. Bovendien is dit essentiële onderdeel nodig om de batterijspanning tijdens de levensduur te handhaven.

Scheiders voor Li-ion accu's zouden idealiter aan verschillende criteria moeten voldoen om optimale prestaties te bereiken; zo zouden ze extreem dun, mechanisch sterk en elektrisch isolerend moeten zijn en tegelijkertijd ionentransport en elektrolytopname moeten toestaan voor een lagere interne weerstand van de cel. In de praktijk is dit ideaal vaak moeilijk te bereiken; om deze problemen te bestrijden zijn numerieke studies gebruikt om de morfologische eigenschappen van separatoren te analyseren.

Om de energiedichtheid van een batterij te verhogen, is het cruciaal om de interne weerstand te verlagen en de prestaties te verbeteren. Dit kan worden bereikt door de morfologie van de separator te wijzigen via chemische modificatie, wijziging van de oppervlaktestructuur of geometriemodificaties.

Thermische eigenschappen van separatoren spelen een cruciale rol in de veiligheid van batterijen, aangezien hun vorm van invloed is op de stabiliteit van de interfase en de vaste elektrolytinterface (SEI). Bovendien helpt dit kortsluiting tussen anode- en kathode-elektroden te voorkomen en de levensduur van de batterij te verlengen.

Karakterisering van accu's kan worden uitgevoerd met behulp van een multimeter of oscilloscoop om de laad- en ontlaadcapaciteit van een accu te beoordelen. Er is sprake van een gezonde batterij als de capaciteit 100% van de nominale capaciteit bereikt; deze benadering kan echter onnauwkeurig blijken te zijn als de batterij zwaar wordt gebruikt; als we bovendien alleen vertrouwen op cycli om de gezondheid te meten, kan de geschatte levensduur worden overschat.

Batterijbeheersysteem

Batterijbeheersystemen (BMS'en) zijn essentiële onderdelen van oplaadbare batterijen. Ze zorgen voor een veilige werking binnen veilige grenzen en optimaliseren tegelijkertijd de prestaties en levensduur. BMS'en spelen een integrale rol in elektrische voertuigen, opslagsystemen voor hernieuwbare energie en draagbare elektronica - en zijn ook van onschatbare waarde voor bedrijven die zonne- of windenergie gebruiken om kosten te besparen of netto nul emissies te reduceren.

Lithium-ion accucellen moeten binnen bepaalde spanningslimieten werken om schade te minimaliseren en de levensduur van de cel te verlengen. Een BMS bewaakt deze cellen om over- en onderspanningscondities te detecteren, evenals celbalancering in accustrings met meerdere cellen om te compenseren voor zwakkere cellen die de levensduur van de accu verkorten. Een accumanagementsysteem beheert ook de temperatuur om ervoor te zorgen dat de accu('s) binnen een ideaal werkbereik werkt.

Oververhitting en overbelasting zijn de twee belangrijkste oorzaken van schade aan lithiumbatterijen. Wanneer cellen oververhit raken, treden er chemische reacties op waarbij gassen vrijkomen die ontsnappen, waardoor ze mogelijk beschadigd raken en brandgevaar ontstaat. Een accumanagementsysteem kan overspanningsniveaus detecteren en het opladen van cellen stoppen om oververhittingsproblemen te voorkomen.

BMS'en kunnen ook beschermen tegen interne kortsluiting door continu elke cel van een batterijpakket te controleren en deze gegevens terug te sturen naar een centrale regeleenheid. Ze kunnen ook koelventilatoren in elektrische voertuigen aansturen om de temperatuur van het pack constant te houden.

Een accubeheersysteem moet een contactorbesturingsalgoritme bevatten om hun status te bewaken en overladen of overladen van accucellen te voorkomen, en contactorfouten te identificeren en stroombronnen af te sluiten wanneer dat nodig is. Verder moet een dergelijk systeem de algehele ladingstoestand (SoC) bewaken om te bepalen wanneer de accu moet worden opgeladen of vervangen; SoC-berekeningen kunnen worden uitgevoerd door de celspanning op te tellen bij de stroom die het cellenpakket binnenkomt of verlaat.