Hur man förlänger ett litiumbatteri

Litiumjonerna vid anoden färdas genom en elektrolyt för att nå katoden, där de kombineras med elektroner för att generera en elektrisk laddning som gör det möjligt att leverera ström när det behövs. Detta skapar batteriets unika strömförsörjningssystem.

De senaste framstegen inom valet av kiselanodmaterial syftar till att förhindra att litiumjoner fångas i elektrolytväggarna och förbättra deras reversibilitet [155].

Längre livslängd

Litiumbatterier används i miljontals människors liv varje dag - från bärbara datorer och mobiltelefoner till hybrid- och elbilar. Deras fördelar är bland annat hög energitäthet, låg vikt, snabb laddningshastighet och längre livslängd än blybatterier. Nyckeln till att förlänga litiumbatteriets livslängd ligger i att förstå hur litiumbatteriet försämras med tiden och vidta proaktiva åtgärder för att förlänga livslängden - detta inkluderar att förstå vilken typ av litiumbatteri som behöver mer specifik vård när det gäller laddningshastighet, urladdningsdjup, laddning etc. - samt att undvika vanliga misstag som överladdning och förvaring vid förhöjda temperaturer.

Litiumjonbatterier tappar gradvis kapacitet över tid på grund av kemiska reaktioner som bryter ned elektroder och elektrolyt, vilket ökar det inre motståndet och förkortar batteriets drifttid. Den här processen sker oavsett om batteriet används regelbundet eller inte - men om du utför regelbundna cykler och förvarar batteriet i en sval temperatur kan det hjälpa till att bromsa nedbrytningsprocessen avsevärt.

Litiumbatteriers cykelantal beror på laddnings- och urladdningsförhållanden samt driftstemperatur. Konsumentenheter laddar dem vanligtvis till 4,20 V per cell för att maximera kapacitet och drifttid; industriella applikationer använder dock ofta lägre spänningströsklar som de som finns i satelliter eller elfordon för ökad livslängd.

För optimal batterilivslängd bör du undvika snabbladdare eftersom dessa snabbt värmer upp och försämrar batterierna. Begränsa också hur ofta du laddar ur batteriet eftersom det ökar dess inre motstånd och förkortar drifttiden och livslängden.

Ionics litium-djupcykelbatterier har en genomsnittlig livslängd på 3.000 till 5.000 fulla cykler med 80% kapacitet kvar, vilket uppnås genom användning av endast högkvalitativa litiumjärnfosfatmaterial (LiFePO4), utformade för kompatibilitet med olika belastningar och laddare, och Bluetooth-övervakning som ger information om laddningsstatus i realtid och beräknar återstående körtid - vilket ger våra marina kunder sinnesro när de planerar framåt och behöver sitt batteri när de behöver det som mest.

Högre energitäthet

Litiumbatterier är mycket energitäta, vilket innebär att de lagrar en avsevärd mängd energi i ett litet utrymme (för att citera professor Paul Christensen). För att omvandla kemisk energi till elektrisk ström måste litiumjoner röra sig mellan en anod och en katod genom en porös separator och ett elektrolytskikt; upprepad laddning och urladdning förbättrar prestandan avsevärt över tiden.

Det finns olika typer av laddningsbara litiumbatterier på marknaden, alla med sin egen inre kemi. Även om vissa kostar mer än andra har alla högre energitäthet än blybatterier - vilket innebär att de lagrar mer elektrisk laddning per kilogram eller volym och därför ger längre räckvidd eller fler timmars användning av elverktyg utan att storleken eller vikten ökar nämnvärt.

Batteritekniken utvecklas ständigt och forskarna letar ständigt efter sätt att förbättra befintliga komponenter. Professor Corie Cobb vid ME och hennes forskning vid Integrated Fabrication Lab fokuserar på att utforma 3D-elektrodarkitekturer som effektiviserar batteritillverkningen; J Devin MacKenzie vid både ME och fakulteten för materialvetenskap och teknik (MSE) utforskar också strukturellt konstruerade antimonlegeringar som batterimaterial.

Energitätheten är ett av de viktigaste måtten för alla batterier. Det mäter hur mycket energi en cell eller ett batteri kan hålla per massa- eller volymenhet, vilket gör det särskilt viktigt i applikationer som elfordon som behöver långa räckvidder med hanterbara vikt- och storlekskrav.

Batterier med högre energitäthet ger längre drifttider innan de behöver laddas, vilket bidrar till att minska bränsleförbrukningen och underhållskostnaderna samtidigt som mindre batterier passar bättre in i fordonskonstruktioner och ger mer kraft för acceleration eller hög belastning.

Batterier med högre energitäthet kan minska sin totala storlek och vikt avsevärt, vilket gör dem särskilt användbara för bärbar elektronik och elfordon där varje kilogram räknas. Tyvärr kan batterier med hög densitet ha mindre än idealiska spänningsprofiler för vissa användningsområden och kanske inte ge en snabb strömstöt när det behövs.

Snabbare laddning

I takt med att allt fler väljer att köra elfordon ökar efterfrågan på litiumbatterier som laddas snabbt. Medan traditionella blybatterier endast når 50% urladdningsdjup har litiumjonbatterier 99% urladdningsdjup, vilket gör dem idealiska för kraftintensiva applikationer som elbilar. Deras snabbare laddningshastighet resulterar också i kortare uppladdningstider.

Litiumjonbatterier använder två elektroder som består av metalloxid respektive poröst kol för att lagra energi. Vid laddning rör sig joner fritt mellan dessa elektroder genom en elektrolyt och en separator; vid urladdning genomgår anoden oxidation och elektronförlust, varvid laddningen återför dem till katoden, och denna cykel fortsätter i all oändlighet.

Ingenjörer har utvecklat material, t.ex. kisel-, germanium- och antimonlegeringar, som kan lagra litiumjoner bättre än grafitanoder genom att interkalera dessa joner mellan lager av grafen. Tyvärr förändras dessa legeringsmaterial fysiskt under laddnings- och urladdningscyklerna, vilket kan leda till prestandaförluster eller fel.

Forskare vid Cornell University har upptäckt en metod för att minimera förändringar i den fysiska volymen, vilket möjliggör högpresterande litiumbatterier med snabbare laddningshastigheter. Genom att tillsätta indium (som vanligtvis används för beläggningar på pekskärmar) minskade forskargruppen energibarriärerna mellan elektroderna, vilket gör det lättare för joner att röra sig mellan elektroderna.

Forskarna varnade för att det är viktigt att vara medveten om de kompromisser som är förknippade med snabbladdning. Snabbare laddning kräver betydligt högre ström och effekt, vilket kan minska batteriets livslängd avsevärt - detta var särskilt vanligt bland litiumjonbatterier.

Experter rekommenderar att man följer de rekommenderade laddningshastigheterna från batteritillverkarna för att maximera batteriets livslängd. Power Cells rekommenderas att laddas med 1C för att säkerställa att anoden och katoden inte utsätts för överspänning, men för elbilsförare är detta inte alltid möjligt på grund av de begränsade körsträckor som är möjliga med litiumjonbatterier.

Lägre kostnad

Litiumbatterier erbjuder många fördelar jämfört med blybatterier, bland annat kostnadsmässigt. Eftersom litiumceller håller längre, väger mindre och arbetar mer effektivt, gör deras kostnadseffektiva natur dem till den bästa investeringen över tid - vilket sparar pengar vid varje inköp eller byte samt på bränsle för motorer eller generatorer.

Litiumjonbatterier har blivit en otroligt populär kraftkälla för konsumentelektronik, hybridfordon och elbilar tack vare sin låga vikt och höga energitäthet. Deras design gör det möjligt att öka kapaciteten samtidigt som det leder till betydande kostnadsminskningar. Denna design har resulterat i att enorma kapaciteter har kunnat ökas samtidigt som kostnaderna har sänkts avsevärt.

I takt med att tekniken har utvecklats har tillverkarna kunnat sänka kostnaderna ytterligare genom att använda bättre material och optimera produktionsprocesserna. Lean-produktionsmetoder som fokuserar på att minimera slöseri och samtidigt optimera produktiviteten är särskilt lovande metoder för att sänka kostnaderna i samband med batteriproduktion.

Säkerhetsfrågor är fortfarande ett av de största hindren för en bred användning av litiumjonbatterier, med termisk rusning (en serie kemiska reaktioner som leder till brand) som ett av de viktigaste. Litiumjonbatterier kan vara känsliga för detta problem om deras katoder eller anoder får sprickor eller kortslutningar, men förbättringar inom cellkemi och förpackningsteknik har gjort dessa batterier säkrare än någonsin.

Litiumjonbatterier har blivit det självklara valet för UPS-applikationer tack vare sin lägre totala ägandekostnad, särskilt för trefasiga UPS-enheter som tenderar att vara större och dyrare än sina enfasiga motsvarigheter.

I takt med att litiumindustrin utvecklas öppnar nya innovationer som torr litiumpolymer upp nya spännande möjligheter för batterikemier och batteridesign. Dessa framsteg ger längre livslängd med djupare urladdningar utan risk för termisk skenande eller andra säkerhetsproblem - vilket innebär att vi kan få se litiumjonbatterier bli ännu vanligare i applikationer än tidigare.