Material som används för att tillverka ett litiumbilbatteri

Den snabba expansionen av elfordon har ökat efterfrågan på råvaror som används för att tillverka litiumbatterier, vilket kräver att de hämtas från jungfruliga mineraler - detta medför både miljömässiga och sociala problem.

Litiumbatteriernas kemi skiljer sig åt när det gäller hur mycket energi de kan lagra och hur många gånger de kan laddas upp, vilket gör det avgörande att välja ett batteri för just din applikation.

Litiumjonkemi

Litiumjonbatterier har snabbt blivit en av de viktigaste teknikerna inom konsumentelektronik som mobiltelefoner och bärbara datorer, och de blir allt vanligare även i hybridbilar. Deras höga energitäthet gör att en större mängd ström kan lagras i mindre utrymmen än med traditionella batteritekniker.

Litiumjonbatterier kan också användas på ett säkert sätt om de används enligt särskilda säkerhetsföreskrifter. Även om brandrisken är lägre än för litiummetallbatterier kan felaktig hantering ändå innebära risker.

Litiumjonbatterier fungerar via interkalering och extraktion, där litiumjoner rör sig fram och tillbaka mellan anod och katod och skapar en elektrolytlösning som består av icke-vattenhaltiga lösningsmedel som etylenkarbonat eller propylenkarbonat som omsluter dem båda. Fukt får aldrig komma in i batteriet på grund av litiums starka affinitet med vatten.

Urladdning sker när litiumjoner rör sig från anoden och in i en elektrolytlösning, där de frigörs från sina bindningsställen av elektrisk ström och sedan frigörs från sina bindningar med en anod - vilket frigör elektroner som kan flöda fritt via externa ledningar för att arbete ska kunna utföras.

Litiumjonbatterier erbjuder många fördelar jämfört med sina motsvarigheter, bland annat god energieffektivitet och högt effekt/vikt-förhållande, låg självurladdningshastighet, lång livslängd och portabel design. Tekniken med litiumkoboltoxid möjliggör en högre energitäthet än alternativen i litiumjonbatterier för bilar.

Elektrolyt

Elektrolyter är viktiga mineraler som är avgörande för kroppens vätskenivåer och cellfunktioner samt för den allmänna hälsan, t.ex. för att förebygga trötthet, yrsel och huvudvärk. Brist på elektrolyter kan till och med leda till uttorkning som påverkar livet avsevärt och stör de dagliga rutinerna på ett genomgripande sätt.

Litiumjonbatterier förlitar sig på icke-vattenhaltiga elektrolyter för att undvika vattenreaktioner och skydda elektroderna från nedbrytning. De innehåller ofta organiska karbonater som etylenkarbonat eller propylenkarbonat med komplex som binder litiumjoner i lösning; denna flytande elektrolyt gör det sedan möjligt för joner att röra sig mellan anod- och katodelektroderna och producera elektrisk energi.

När litiumjonerna rör sig från anoden till katoden genom elektrolyten under urladdningen, genomgår de en insättnings- eller interkaleringsprocess som överför deras elektroner från katoden. Detta ger upphov till kemisk energi som lagras i cellens externa krets; under laddningen rekombineras samma joner med sina elektroner och bildar elektricitet.

Dinca och hans team arbetar med att utveckla alternativa batterimaterial som innehåller mindre kobolt, t.ex. natrium eller magnesium. Sådana batterier skulle kunna göra batterierna lättare och billigare, vilket skulle göra dem mer attraktiva för konsumenterna. Koboltfria batterier bör ha bättre cykellivslängd, återvinningsbarhet och kan till och med vara säkrare att transportera och lagra än koboltbatterier.

Katod

Katoden är en av de viktigaste komponenterna i litiumbatterier. Den fungerar som en elektrisk ledare och underlättar litiumjonernas rörelse mellan anod och katod under urladdnings- och laddningsprocesserna. Katoden kan bestå av olika material som litiumövergångsmetalloxider, vanadiumoxider, manganbaserade oxider eller litiumfosfater som möjliggör reversibel interkalering/de-interkalering av litiumjoner under urladdnings-/laddningscykler.

En anod är en negativ elektrod som ansvarar för att avge elektroner till en extern krets under cellurladdningen. Omvänt kombinerar katoder positivt laddade litiumjoner med elektroner i en elektrokemisk reduktionsreaktion vid sin positiva elektrod. Elektrolyten fungerar som en mellanhand när det gäller transport av litiumjoner och elektroner mellan anod och katod; den deltar inte i själva den elektrokemiska reaktionen.

Många olika katodmaterial har utvecklats; de tre mest förekommande i dagens produktion kan sammanfattas i LiCoO2, LiMn2O4 och LiFePO4. Alla använder litiumjonkemi, men deras laddningskapacitet och cykelstabilitet varierar mellan olika modeller.

Litiumjonbatterier är beroende av sina katoder för både energitäthet och livslängd, eftersom denna komponent lagrar stora mängder litiumjoner med hög ledningsförmåga och måste lagra stora mängder av dem för att fungera optimalt. För att ytterligare minska motståndet och förbättra prestandan kan olika ledande tillsatser som kimrök (CB), amorft kol (AC) eller kolfibrer (CF) tillsättas som ledande tillsatser; Tabell 2 visar resultaten av dessa tillsatser på urladdningskapacitet och cykelprestanda för olika katodmaterial med olika ledande tillsatser jämfört.

Anod

Litiumjonbatteriers användbarhet avgörs i hög grad av deras elektrodmaterial - även kallade anoder och katoder - som spelar en viktig roll för energitätheten och regleringen av spänningsintervallet. I de flesta litiumbatterier används kolanoder och kolkatoder, men forskare undersöker alternativa lösningar.

Urladdning sker när en anod släpper ifrån sig litiumjoner till katoden genom interkalering, vilket skapar ström och effekt. Vid laddning sker dock det omvända. Istället för att avge litiumjoner till katoden genom interkalering, går de in i en elektrolyt (som består av litiumsalter suspenderade i dimetylkarbonatlösningsmedel). Härifrån färdas de tillbaka till anoden och så småningom tillbaka ut genom denna lösning för att slutföra sin krets baklänges.

Standardgrafitanoder kan inte användas på lång sikt eftersom upprepad litiuminsättning gör att de bryts sönder och förlorar kapacitet, vilket gör att det inte finns några fungerande LIB-celler kvar. Alternativ har föreslagits, t.ex. metallhydroxider, men deras höga interkalationsspänningar minskar energitätheten i dessa batterier.

Amprius, ett företag som specialiserar sig på batterimaterial, har utvecklat en anod med ett kiselskal som omsluter nanotrådar av kisel som en potentiell lösning. Batteriet har redan testats i ett batteripaket i en Airbus Zephyr S pseudosatellit för teständamål och uppvisade enastående prestanda: det klarade hundratals laddningscykler och producerade över 435 W h/kg energi.

Elektrodseparator

Separatorn är en viktig komponent i litiumbatterier och används för att isolera positiva och negativa elektroder samtidigt som den tillåter litiumjonflöde. Separatorn är uppbyggd av ett poröst membran av olika polyolefinmaterial som polyeten eller polypropen och dess storlek påverkar hur mycket ström som kan tas ut vid urladdning samt stabiliteten vid cykling.

Separatorns porositet ska vara tillräcklig för att litiumjoner ska kunna röra sig fritt mellan elektroderna, med en bred fördelning av porer som stängs när batteriet kopplas ur eller stängs av; optimala porstorlekar ligger mellan 30 och 100 nanometer. Dessutom måste dess ledningsförmåga också vara hög.

Separatorns vätbarhet är också avgörande; den måste absorbera en tillräcklig mängd elektrolyt i sina porer under cellens drift, utan att dendritbildning och SEI-tillväxt uppstår. En mängd olika separatormaterial kan användas, t.ex. nonwoven PP, mikroporös monolager PP, cellulosa, glasfiber, PTFE eller trilager PP/PE/PP; vissa har förbättrade egenskaper, t.ex. ökad oxidationsbeständighet eller affinitet/vätbarhet med elektrolyter; dessa förbättringar bidrar väsentligt till batteriets säkerhet och livslängd.

Strömavtagare

Strömavtagare är en viktig komponent i litiumbatterier eftersom de gör att elektroner kan flöda mellan katod- och anodelektroderna, vilket hjälper batteriet att uppnå hög energitäthet och förbättrar säkerhet och prestanda. De måste vara konstruerade för att klara höga driftsspänningar utan att elektroderna korroderar.

Metaller som aluminium och koppar används ofta som strömavtagare på grund av att de är relativt billiga och har utmärkt elektrisk ledningsförmåga, men eftersom de är spröda krävs stora tjocklekar för att bibehålla den mekaniska integriteten.

NREL-forskare har kommit på ett nytt sätt att minska strömavtagarens tjocklek och samtidigt öka energitätheten. Metoden innebär att aktiva material från litiumbatteriseparatorer beläggs med lim, vilket skapar tunna men lätta strömavtagare som kommer att bidra till att göra litiumbilbatterier mer energieffektiva.

Forskare utforskar metoder för att minska tjockleken på strömavtagare och samtidigt öka deras elektrokemiska stabilitet. Kolbaserade material erbjuder mer miljövänliga produktionsprocesser jämfört med metallbaserade och används i allt större utsträckning som strömavtagare.

Kolbaserade strömavtagare har många fördelar jämfört med sina styvare motsvarigheter, bland annat är de lättare och tillräckligt flexibla för att förbättra batteriets energitäthet och effektkapacitet - ett allt viktigare krav med tanke på litiumjonbatteriets ökande popularitet.