Fördelar med litiumbatterier

Litiumbatterier har blivit viktiga komponenter i mobil elektronik, e-mobility och energilagring i elnätet och erbjuder många fördelar jämfört med andra batterityper.

Litiumjonbatterier har katoder av litiumkoboltoxid eller litiumjärnfosfat som katoder och en anod av grafit som anoder, åtskilda av en separator av poröst material som är utformat för att låta litiumjoner passera samtidigt som direktkontakt mellan elektroderna förhindras.

Hög energitäthet

Litiumbatterier har en av de högsta energitätheterna bland batterityper (mätt i watttimmar per kilogram), vilket innebär att de lagrar mer ström än andra batterityper. Deras uppfinning och kommersialisering har hyllats som en av de största bedrifterna i mänsklighetens historia och har möjliggjort bärbar konsumentelektronik (t.ex. digitalkameror, bärbara datorer och mobiltelefoner) samt elbilar (e-mobility-revolutionen). De har även använts för energilagring i elnätet och för militära tillämpningar och rymdtillämpningar.

Litiumbatterier uppnår sin imponerande energitäthet tack vare interkalering; i denna process bäddas litiumjoner fysiskt in mellan lager av 2D-kolgitter via interkalering. Detta möjliggör reversibla laddnings- och urladdningsreaktioner utan att kapaciteten eller livslängden försämras.

Forskare som vill öka energitätheten i litiumbatterier måste optimera anodmaterialen, katodmaterialen och elektrolyten samtidigt som batteristorleken minskas. Tyvärr är det dock ingen enkel uppgift att öka energitätheten och samtidigt förbättra cyklingsprestanda och termisk stabilitet.

Energitätheten ger bärbara elektroniska enheter långa drifttider samtidigt som den sänker systemkostnaden. Ett mindre batteripaket kan använda mindre stål och andra konstruktionsmaterial, kablar och ledningar och kylsystem än dess större motsvarighet.

Även om litiumbatteriernas energitäthet utan tvekan är avgörande, ska den inte förväxlas med effekttätheten, som mäter deras förmåga att leverera korta energiutbrott. Batteriets kemi och struktur spelar huvudrollen när det gäller att bestämma effekttätheten - snarare än dess specifika energiproduktion.

Nickel-kobolt-mangan-litiumbatterier (NCM) har en imponerande energitäthet, men deras låga termiska stabilitet och begränsade belastningsförmåga begränsar deras lämplighet för mobila applikationer. Ett undantag från denna regel är litiumjärnfosfatbatterier som används i e-scootrar och liknande små motoriserade fordon för att uppnå extremt hög energitäthet med hög belastningskapacitet; de finns ofta i scootrar eller liknande små fordon med motorer. Tyvärr är sådana batterikemier olämpliga för tillämpningar där enheterna tas isär eller krossas, eftersom nedbrytning kan ske och leda till brand eller explosion.

Lång livslängd

Litiumbatterier är en viktig komponent i många av de elektroniska enheter som vi förlitar oss på idag, med långa livslängder som ofta varar i mer än ett decennium under idealiska förhållanden. Från bärbara solenergianläggningar och elfordon till små kraftbanker och bärbara solenergianläggningar - litiumbatterier erbjuder tillförlitlig prestanda för våra viktigaste verktyg och tillbehör. Litiumbatterier måste dock skötas på rätt sätt för att förlänga sin livslängd avsevärt; genom att använda rätt laddningsmönster, undvika djupa urladdningar och vidta försiktighetsåtgärder under lagring kan man förlänga deras livslängd avsevärt.

Ett viktigt steg för att öka litiumbatteriets livslängd är att förstå antalet laddnings- och urladdningscykler. Även om vissa batteritillverkare hänvisar till sina batteriers utgångsdatum baserat på antalet cykler kan detta vara missvisande eftersom specifika batterier kanske aldrig når denna slutpunkt på grund av externa faktorer. Tänk istället på ett batteris livscykel i termer av hur många laddnings-/urladdningscykler det kan utföra innan dess prestanda börjar minska.

Ett exempel är ett batteri som regelbundet djupurladdas (DOD) för att få ner kapaciteten till 80%, och som normalt bara klarar 500 laddnings- och urladdningscykler innan dess prestanda börjar försämras märkbart. Om du däremot håller batterierna friska genom att bara ladda ur dem till 70% eller 80% innan du laddar upp dem igen, förlängs deras livslängd avsevärt efter 500 cykler.

Temperaturen kan också spela en viktig roll för batteriets livslängd genom att påskynda det inre motståndet och kapacitetsförlusten över tid. Därför bör litiumbatterier förvaras vid en idealisk temperatur för att minimera extrem värme eller kyla som kan hota deras livslängd.

Även om litiumbatterier inte kräver samma skötsel som blybatterier bör de ändå laddas till cirka 80% laddningsstatus (SoC) var sjätte till tolfte månad för optimal prestanda. Detta säkerställer omedelbar användning och förhindrar uppbyggnad av internt motstånd som annars kan leda till för tidig cellnedbrytning. För optimala underhållsmetoder bör du leta efter laddare som automatiskt upprätthåller konstant spänning samtidigt som de automatiskt fyller på laddningstillståndet efter behov.

Hög uppladdningsbarhet

Litiumbatterier använder en speciell separator som gör att litiumjoner kan röra sig fram och tillbaka mellan katoden och anoden, aktivera fria elektroner vid anoden och skapa elektrisk ström som driver enheter som bärbara datorer eller mobiltelefoner. Litiumbatterier kan laddas upp många gånger utan att förlora kapacitet eller försämras.

Litiumbatteriernas låga självurladdningshastighet och deras unika kemiska sammansättning gör detta möjligt, tillsammans med deras höga energitäthet som gör att de kan hålla kvar mer laddning under en längre tid än andra batterikemier - vilket gör litium till ett utmärkt val för att driva bärbar elektronik, elfordon och elverktyg.

Litiumbatteriernas kemiska sammansättning gör dem säkrare och enklare att hantera, till skillnad från blybatterier som släpper ut skadliga gaser vid laddning och urladdning och ger upphov till frätande väte- eller syreutsläpp, vilket gör dem säkrare att förvara i trånga utrymmen.

Det finns olika typer av litiumbatterier på marknaden, men litiumjärnfosfat (LiFePO4) är ett populärt alternativ tack vare sin överlägsna termiska stabilitet, höga strömstyrka, långa livslängd och tolerans mot missbruk. LiFePO4-batterier används ofta i applikationer för förnybar energi eftersom de erbjuder optimal energitäthet med hänsyn till kostnad per cykel och säkerhetsaspekter.

Litiumbatterier har lågt inre motstånd, vilket gör dem till det perfekta valet för enheter med hög strömstyrka som hybrid- och elbilar. Dessutom laddas litiumbatterier upp snabbt, vilket förlänger deras livslängd och ökar livslängden på dessa enheter.

Litiumbatterier kan förvaras i upp till ett år i rumstemperatur utan negativa effekter, men om litiumbatterierna förvaras för länge eller i extrema temperaturer kan det leda till att de dör i förtid.

Litiumbatterier och elektroniska apparater som innehåller sådana batterier ska aldrig slängas i hushållssoporna eller återvinningsbehållaren eftersom det medför brandrisker. Istället bör dessa föremål återvinnas på rätt sätt för att skydda miljön och samtidigt minska riskerna för avfalls-, återvinnings- och skrotoperatörer.

Låg självurladdning

Litiumbatterier har blivit en oumbärlig kraftkälla i våra vardagliga enheter, från bärbara datorer och mobiltelefoner till elbilar och industriella användningsområden. Litiumbatterier är välkända för sin höga energitäthet, långa livslängd, uppladdningsbarhet och låga självurladdningshastighet - viktiga egenskaper för långvarig batterilagring som gör att batterierna kan behålla full kapacitet under månader och år utan att laddas eller laddas ur ytterligare gånger.

Även om litiumbatterier erbjuder många fördelar är det många som inte förstår att de måste underhållas noggrant för att ge maximal prestanda och livslängd. Tyvärr blir många litiumbatterier underutnyttjade på grund av dålig användning och förvaring - men det finns åtgärder du kan vidta för att maximera värdet av din investering i batterier.

Självurladdning av litiumbatterier är oundvikligt och orsakas av sidoreaktioner mellan positiva och negativa elektrodmaterial och elektrolyter som ger upphov till olösliga produkter som minskar mängden tillgängliga litiumjoner och orsakar irreparabel försämring av prestanda och kapacitet.

Förutom negativa sidoreaktioner kan även andra faktorer påverka litiumbatteriernas prestanda och kapacitet negativt, t.ex. produktionsprocess, lagringsförhållanden och batterikonstruktion. Grater på polstycken på grund av problem i produktionsmiljön eller föroreningar som tillförs genom produktionsmiljön kan orsaka interna kortslutningar som ökar självurladdningshastigheten.

En annan faktor är åldrandet av litiumbatterier. Denna process börjar under tillverkningen när batterierna laddas och lagras under längre perioder, varvid anodmaterialen interagerar med elektrolyterna och bildar passiveringsskikt som ökar impedansen och minskar cyklingskapaciteten. Dessutom kan långvarig lagring leda till att metalliskt litium bildas på en anod, vilket skapar allvarliga säkerhetsproblem i krävande miljöer.