Litiumjonbatterier är en nyckelteknik för övergången till ren energi

Litiumbatterier lagrar energi på ett effektivt sätt, vilket gör dem till ett utmärkt val för användning i el- eller fritidsfordon. Litiumbatterier bibehåller också en extremt hög laddningsnivå över tid.

Eftersom litiumjoner flödar från anod till katod via elektrolyt, omfattar populära anodmaterial kol och kisel; katoder består av metalloxider som spinel, nickel-kobolt-mangan eller litiumjärnfosfat som katoder.

1. Lagring av energi

Litiumjonbatterier har haft en av de största effekterna på senare tid; de banade väg för revolutionen inom e-mobilitet och fungerar nu som viktiga möjliggörare för övergången till ren energi. De används för att driva ett växande utbud av bärbar konsumentelektronik - bärbara datorer och mobiltelefoner, elbilar/plug-in-hybrider/energilagringssystem i hemmet etc.

Batterier består av fem huvudelement: en anod, en katod, en separator mellan elektroderna, en elektrolytlösning som transporterar litiumjoner genom elektrolys samt strömavtagare av koppar och aluminium för anslutning till ledningar. Vid laddning applicerar en extern strömkälla en överspänning som tvingar elektroner från positiva elektroder till negativa elektroder och driver litiumjoner mellan anod och katod genom elektrolys; vid urladdning sker det omvända: litiumjoner lämnar en elektrod och interkalerar mellan elektroderna medan fria elektroner flödar ut via ledningar och ger ström som driver våra enheter.

En anod kan bestå av olika material, men grafit och litiumkoboltoxid är två av de mer populära anodmaterialen. Katoder består vanligtvis av metaller som nickel-kobolt-aluminium eller litiumjärnfosfat; deras kemiska sammansättning avgör i slutändan batteriets prestanda: till exempel ger nickel-kobolt-aluminium längre cykellivslängd medan litiumjärnfosfat kan vara mer kostnadseffektivt.

För närvarande går merparten av produktionskostnaderna för LiB till elektrodtillverkning och cellfinish - två processer som är bland de mest tids- och energikrävande; de använder sammanlagt cirka 40% av batterikapaciteten. Med sjunkande råvarukostnader och ökad produktionskapacitet bör dock LiB-priserna fortsätta att sjunka över tiden.

2. Säkerhet

På grund av sin brandfarliga flytande elektrolyt utgör felaktigt konstruerade och tillverkade litiumbatterier en säkerhetsrisk när de skadas eller laddas felaktigt, vilket kan leda till bränder eller explosioner. Mycket arbete har lagts ned på att förbättra design och tillverkning för att minska denna risk; litiumjontekniken utnyttjas också för att skapa solid state-batterier helt utan elektrolyt.

Litiumjonbatterier utmärker sig bland laddningsbara batterityper genom att ha en extremt hög energitäthet, vilket innebär att mindre celler kan ge samma mängd ström som större batterier - perfekt för bärbara enheter som telefoner och digitalkameror, elfordon, fritidsfordon och andra som kräver effektiv ström samtidigt som de är lätta.

Den här typen av batteri har som främsta fördel att det inte lider av minneseffekt, vilket innebär att du kan använda dess fulla kapacitet utan att behöva oroa dig för att det ska bli mindre effektivt med tiden. Observera dock att dess kemi inte tål värme särskilt bra, så förvaring vid högre temperaturer kan orsaka irreparabel skada.

Därför är det viktigt att noggrant läsa igenom bruksanvisningen till ditt batteripaket för att veta hur du bäst tar hand om det och förlänger dess livslängd. Generellt gäller att om du håller batteriet svalt och inte överladdar det maximerar du batteriets livslängd och säkerställer optimal prestanda.

3. Lättvikt

Nickelkadmium- och senare nickelmetallhydridbatterier var standardvalet för bärbar elektronik från mobiltelefoner till bärbara datorer i över 100 år, tills litiumjon dök upp som en alternativ teknik i början av 1990-talet. Litiumjonceller är lättare och kraftfullare än sina föregångare och har dubbel energitäthet samt kan laddas/urladdas vid 3,6 V, vilket gör det möjligt att konstruera batteripaket med bara en cell.

Litiumbatterier finns i bärbara datorer, elfordon och sladdlösa elverktyg. Litiumbatterier är utmärkta lösningar för lagring av solenergi eftersom de laddas och urladdas snabbt - de är också utmärkta lösningar för reservkraft, t.ex. UPS-system eller nödströmsförsörjning.

Temperatur och användningsmönster har stor inverkan på litiumjonbatteriers livslängd, inklusive nedbrytning som orsakas av värmeexponering och frekvent överladdning. Värme påskyndar nedbrytningen medan frekvent överladdning påskyndar den ytterligare; litiumjonbatterier ska aldrig utsättas för extrema temperaturer under längre perioder.

Det finns olika typer av litiumjonbatterier, som alla har sina egna fördelar och nackdelar. Din applikation, budget och säkerhetstolerans hjälper dig att avgöra vilken litiumbatterityp som bäst uppfyller dina behov. De fyra vanligaste batterityperna är LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 och litiumpolymerbatterier - var och en med sin egen distinkta kemi samtidigt som de delar grundläggande egenskaper som att använda litiumjoner för att lagra elektrisk energi, skyddas av ett isolerande skikt för att skydda elektroderna från varandra och skyddas av ett anodmaterial som LiCoO2; LiNMC använder kombinerade mangan- och nickelkatoder som erbjuder både hög specifik energi och utmärkt stabilitet - var och en erbjuder hög specifik energiprestanda till överkomliga kostnader!

4. Miljövänlig

Litiumjonbatterier är en oumbärlig teknik för att ställa om våra transport- och elsektorer från fossila bränslen till förnybara energikällor. Deras långa batteritid, höga energitäthet och snabba laddningsförmåga gör litiumjonbatterier idealiska för att driva elfordon, elverktyg eller bärbara datorer samtidigt som de ökar medvetenheten om energianvändning bland konsumenterna.

Litiumjonbatterier kan erbjuda många miljömässiga fördelar, men deras tillverkning och avfallshantering medför fortfarande miljöpåverkan. Litiumjonbatterier innehåller brandfarlig flytande elektrolyt som, om de kasseras på ett felaktigt sätt, kan släppa ut giftiga ämnen i miljön som hotar mark- och vattenkvaliteten; när de kasseras på ett felaktigt sätt kan de också orsaka bränder på deponier och batteriåtervinningsanläggningar.

Tillverkningen av litiumjonbatterier ger ett enormt koldioxidavtryck på grund av gruvdrift och utvinning av råmaterial från jorden, t.ex. brytning i hårt berg där varje ton som utvinns släpper ut 15 ton CO2. Dessutom kräver utvinningen av dessa mineraler stora mängder energi, som främst kommer från förbränning av fossila bränslen för utvinningsändamål.

Utvinningen av batterikomponenter som litium, nickel, kobolt, grafit och aluminiumfolie ger också upphov till utsläpp av växthusgaser som bidrar till klimatförändringarna, medan transport och leverans av dessa komponenter ökar koldioxidutsläppen i vår planets koldioxidavtryck ytterligare.

När litiumjonbatterier når slutet av sin livslängd blir de elektroniskt avfall (e-avfall). Tyvärr är det många som inte återvinns på rätt sätt - de hamnar ofta i kommersiella avfallsflöden och på deponier där de kan kortslutas av misstag eller demonteras på ett osäkert sätt för att få ut små värdefulla delar för skördeändamål. Detta leder ofta till bränder som bidrar ytterligare till klimatförändringarna.

5. Återvinningsbar

Litiumbatterier innehåller även andra metaller som nickel, kobolt och koppar samt organiska kemikalier och plaster som, när de kasseras, kan läcka giftiga ämnen ut i vattendrag och orsaka bränder när de kasseras på avfallsanläggningar; UK Environmental Services Association rapporterade 250 batteribränder mellan 2019 och 2020 enbart på avfallsanläggningar! Dessutom utgör litiumbatterier säkerhetsrisker när de krossas eller punkteras - dessa åtgärder kan kortsluta deras katoder, vilket leder till intern förbränning - enligt European Steel Recyclers Conference orsakades 90% av dessa bränder av små litiumbatterier!

Aktuell statistik visar att endast cirka fem procent av batterierna i världen återvinns; många slängs helt enkelt eller skickas direkt till deponier. En anledning kan vara deras komplexa sammansättning, t.ex. litiumjonbatterier som vanligtvis innehåller 22% kobolt, 5-10% nickel och 5-7% litium; dessutom kan det finnas 15% organiska kemikalier och 7% plast i dem.

Även om det är tekniskt möjligt att återvinna litiumbatterier är processen dyr och tidskrävande, för att inte tala om ineffektiv; en specialist på energilagring förklarar att de för att vara riktigt effektiva kräver råmaterial med hög renhet som vi för närvarande inte har.

PNNL har utvecklat en banbrytande process som innebär att uttjänta batterier strimlas och pulveriseras till pulver, vilket är ett viktigt steg mot att göra det billigare att återvinna litiumbatterier. Genom att använda hydrometallurgiska och pyrometallurgiska tekniker för att återvinna metaller i gamla batterier och använda dem som råmaterial i nya batterier kan man på sikt minska efterfrågan på sällsynta jordartsmetaller eller metaller som kan komma att begränsas i framtiden.

I grund och botten handlar materialcirkularitet om att skapa en oändlig cykel där batterier börjar sin resa från att först användas i en elbil till att återvinnas och återföras till tillverkningsprocessen.