Den snabba expansionen av elfordon har \u00f6kat efterfr\u00e5gan p\u00e5 r\u00e5varor som anv\u00e4nds f\u00f6r att tillverka litiumbatterier, vilket kr\u00e4ver att de h\u00e4mtas fr\u00e5n jungfruliga mineraler - detta medf\u00f6r b\u00e5de milj\u00f6m\u00e4ssiga och sociala problem.<\/p>\n
Litiumbatteriernas kemi skiljer sig \u00e5t n\u00e4r det g\u00e4ller hur mycket energi de kan lagra och hur m\u00e5nga g\u00e5nger de kan laddas upp, vilket g\u00f6r det avg\u00f6rande att v\u00e4lja ett batteri f\u00f6r just din applikation.<\/p>\n
Litiumjonbatterier har snabbt blivit en av de viktigaste teknikerna inom konsumentelektronik som mobiltelefoner och b\u00e4rbara datorer, och de blir allt vanligare \u00e4ven i hybridbilar. Deras h\u00f6ga energit\u00e4thet g\u00f6r att en st\u00f6rre m\u00e4ngd str\u00f6m kan lagras i mindre utrymmen \u00e4n med traditionella batteritekniker.<\/p>\n
Litiumjonbatterier kan ocks\u00e5 anv\u00e4ndas p\u00e5 ett s\u00e4kert s\u00e4tt om de anv\u00e4nds enligt s\u00e4rskilda s\u00e4kerhetsf\u00f6reskrifter. \u00c4ven om brandrisken \u00e4r l\u00e4gre \u00e4n f\u00f6r litiummetallbatterier kan felaktig hantering \u00e4nd\u00e5 inneb\u00e4ra risker.<\/p>\n
Litiumjonbatterier fungerar via interkalering och extraktion, d\u00e4r litiumjoner r\u00f6r sig fram och tillbaka mellan anod och katod och skapar en elektrolytl\u00f6sning som best\u00e5r av icke-vattenhaltiga l\u00f6sningsmedel som etylenkarbonat eller propylenkarbonat som omsluter dem b\u00e5da. Fukt f\u00e5r aldrig komma in i batteriet p\u00e5 grund av litiums starka affinitet med vatten.<\/p>\n
Urladdning sker n\u00e4r litiumjoner r\u00f6r sig fr\u00e5n anoden och in i en elektrolytl\u00f6sning, d\u00e4r de frig\u00f6rs fr\u00e5n sina bindningsst\u00e4llen av elektrisk str\u00f6m och sedan frig\u00f6rs fr\u00e5n sina bindningar med en anod - vilket frig\u00f6r elektroner som kan fl\u00f6da fritt via externa ledningar f\u00f6r att arbete ska kunna utf\u00f6ras.<\/p>\n
Litiumjonbatterier erbjuder m\u00e5nga f\u00f6rdelar j\u00e4mf\u00f6rt med sina motsvarigheter, bland annat god energieffektivitet och h\u00f6gt effekt\/vikt-f\u00f6rh\u00e5llande, l\u00e5g sj\u00e4lvurladdningshastighet, l\u00e5ng livsl\u00e4ngd och portabel design. Tekniken med litiumkoboltoxid m\u00f6jligg\u00f6r en h\u00f6gre energit\u00e4thet \u00e4n alternativen i litiumjonbatterier f\u00f6r bilar.<\/p>\n
Elektrolyter \u00e4r viktiga mineraler som \u00e4r avg\u00f6rande f\u00f6r kroppens v\u00e4tskeniv\u00e5er och cellfunktioner samt f\u00f6r den allm\u00e4nna h\u00e4lsan, t.ex. f\u00f6r att f\u00f6rebygga tr\u00f6tthet, yrsel och huvudv\u00e4rk. Brist p\u00e5 elektrolyter kan till och med leda till uttorkning som p\u00e5verkar livet avsev\u00e4rt och st\u00f6r de dagliga rutinerna p\u00e5 ett genomgripande s\u00e4tt.<\/p>\n
Litiumjonbatterier f\u00f6rlitar sig p\u00e5 icke-vattenhaltiga elektrolyter f\u00f6r att undvika vattenreaktioner och skydda elektroderna fr\u00e5n nedbrytning. De inneh\u00e5ller ofta organiska karbonater som etylenkarbonat eller propylenkarbonat med komplex som binder litiumjoner i l\u00f6sning; denna flytande elektrolyt g\u00f6r det sedan m\u00f6jligt f\u00f6r joner att r\u00f6ra sig mellan anod- och katodelektroderna och producera elektrisk energi.<\/p>\n
N\u00e4r litiumjonerna r\u00f6r sig fr\u00e5n anoden till katoden genom elektrolyten under urladdningen, genomg\u00e5r de en ins\u00e4ttnings- eller interkaleringsprocess som \u00f6verf\u00f6r deras elektroner fr\u00e5n katoden. Detta ger upphov till kemisk energi som lagras i cellens externa krets; under laddningen rekombineras samma joner med sina elektroner och bildar elektricitet.<\/p>\n
Dinca och hans team arbetar med att utveckla alternativa batterimaterial som inneh\u00e5ller mindre kobolt, t.ex. natrium eller magnesium. S\u00e5dana batterier skulle kunna g\u00f6ra batterierna l\u00e4ttare och billigare, vilket skulle g\u00f6ra dem mer attraktiva f\u00f6r konsumenterna. Koboltfria batterier b\u00f6r ha b\u00e4ttre cykellivsl\u00e4ngd, \u00e5tervinningsbarhet och kan till och med vara s\u00e4krare att transportera och lagra \u00e4n koboltbatterier.<\/p>\n
Katoden \u00e4r en av de viktigaste komponenterna i litiumbatterier. Den fungerar som en elektrisk ledare och underl\u00e4ttar litiumjonernas r\u00f6relse mellan anod och katod under urladdnings- och laddningsprocesserna. Katoden kan best\u00e5 av olika material som litium\u00f6verg\u00e5ngsmetalloxider, vanadiumoxider, manganbaserade oxider eller litiumfosfater som m\u00f6jligg\u00f6r reversibel interkalering\/de-interkalering av litiumjoner under urladdnings-\/laddningscykler.<\/p>\n
En anod \u00e4r en negativ elektrod som ansvarar f\u00f6r att avge elektroner till en extern krets under cellurladdningen. Omv\u00e4nt kombinerar katoder positivt laddade litiumjoner med elektroner i en elektrokemisk reduktionsreaktion vid sin positiva elektrod. Elektrolyten fungerar som en mellanhand n\u00e4r det g\u00e4ller transport av litiumjoner och elektroner mellan anod och katod; den deltar inte i sj\u00e4lva den elektrokemiska reaktionen.<\/p>\n
M\u00e5nga olika katodmaterial har utvecklats; de tre mest f\u00f6rekommande i dagens produktion kan sammanfattas i LiCoO2, LiMn2O4 och LiFePO4. Alla anv\u00e4nder litiumjonkemi, men deras laddningskapacitet och cykelstabilitet varierar mellan olika modeller.<\/p>\n
Litiumjonbatterier \u00e4r beroende av sina katoder f\u00f6r b\u00e5de energit\u00e4thet och livsl\u00e4ngd, eftersom denna komponent lagrar stora m\u00e4ngder litiumjoner med h\u00f6g ledningsf\u00f6rm\u00e5ga och m\u00e5ste lagra stora m\u00e4ngder av dem f\u00f6r att fungera optimalt. F\u00f6r att ytterligare minska motst\u00e5ndet och f\u00f6rb\u00e4ttra prestandan kan olika ledande tillsatser som kimr\u00f6k (CB), amorft kol (AC) eller kolfibrer (CF) tills\u00e4ttas som ledande tillsatser; Tabell 2 visar resultaten av dessa tillsatser p\u00e5 urladdningskapacitet och cykelprestanda f\u00f6r olika katodmaterial med olika ledande tillsatser j\u00e4mf\u00f6rt.<\/p>\n
Litiumjonbatteriers anv\u00e4ndbarhet avg\u00f6rs i h\u00f6g grad av deras elektrodmaterial - \u00e4ven kallade anoder och katoder - som spelar en viktig roll f\u00f6r energit\u00e4theten och regleringen av sp\u00e4nningsintervallet. I de flesta litiumbatterier anv\u00e4nds kolanoder och kolkatoder, men forskare unders\u00f6ker alternativa l\u00f6sningar.<\/p>\n
Urladdning sker n\u00e4r en anod sl\u00e4pper ifr\u00e5n sig litiumjoner till katoden genom interkalering, vilket skapar str\u00f6m och effekt. Vid laddning sker dock det omv\u00e4nda. Ist\u00e4llet f\u00f6r att avge litiumjoner till katoden genom interkalering, g\u00e5r de in i en elektrolyt (som best\u00e5r av litiumsalter suspenderade i dimetylkarbonatl\u00f6sningsmedel). H\u00e4rifr\u00e5n f\u00e4rdas de tillbaka till anoden och s\u00e5 sm\u00e5ningom tillbaka ut genom denna l\u00f6sning f\u00f6r att slutf\u00f6ra sin krets bakl\u00e4nges.<\/p>\n
Standardgrafitanoder kan inte anv\u00e4ndas p\u00e5 l\u00e5ng sikt eftersom upprepad litiumins\u00e4ttning g\u00f6r att de bryts s\u00f6nder och f\u00f6rlorar kapacitet, vilket g\u00f6r att det inte finns n\u00e5gra fungerande LIB-celler kvar. Alternativ har f\u00f6reslagits, t.ex. metallhydroxider, men deras h\u00f6ga interkalationssp\u00e4nningar minskar energit\u00e4theten i dessa batterier.<\/p>\n
Amprius, ett f\u00f6retag som specialiserar sig p\u00e5 batterimaterial, har utvecklat en anod med ett kiselskal som omsluter nanotr\u00e5dar av kisel som en potentiell l\u00f6sning. Batteriet har redan testats i ett batteripaket i en Airbus Zephyr S pseudosatellit f\u00f6r test\u00e4ndam\u00e5l och uppvisade enast\u00e5ende prestanda: det klarade hundratals laddningscykler och producerade \u00f6ver 435 W h\/kg energi.<\/p>\n
Separatorn \u00e4r en viktig komponent i litiumbatterier och anv\u00e4nds f\u00f6r att isolera positiva och negativa elektroder samtidigt som den till\u00e5ter litiumjonfl\u00f6de. Separatorn \u00e4r uppbyggd av ett por\u00f6st membran av olika polyolefinmaterial som polyeten eller polypropen och dess storlek p\u00e5verkar hur mycket str\u00f6m som kan tas ut vid urladdning samt stabiliteten vid cykling.<\/p>\n
Separatorns porositet ska vara tillr\u00e4cklig f\u00f6r att litiumjoner ska kunna r\u00f6ra sig fritt mellan elektroderna, med en bred f\u00f6rdelning av porer som st\u00e4ngs n\u00e4r batteriet kopplas ur eller st\u00e4ngs av; optimala porstorlekar ligger mellan 30 och 100 nanometer. Dessutom m\u00e5ste dess ledningsf\u00f6rm\u00e5ga ocks\u00e5 vara h\u00f6g.<\/p>\n
Separatorns v\u00e4tbarhet \u00e4r ocks\u00e5 avg\u00f6rande; den m\u00e5ste absorbera en tillr\u00e4cklig m\u00e4ngd elektrolyt i sina porer under cellens drift, utan att dendritbildning och SEI-tillv\u00e4xt uppst\u00e5r. En m\u00e4ngd olika separatormaterial kan anv\u00e4ndas, t.ex. nonwoven PP, mikropor\u00f6s monolager PP, cellulosa, glasfiber, PTFE eller trilager PP\/PE\/PP; vissa har f\u00f6rb\u00e4ttrade egenskaper, t.ex. \u00f6kad oxidationsbest\u00e4ndighet eller affinitet\/v\u00e4tbarhet med elektrolyter; dessa f\u00f6rb\u00e4ttringar bidrar v\u00e4sentligt till batteriets s\u00e4kerhet och livsl\u00e4ngd.<\/p>\n
Str\u00f6mavtagare \u00e4r en viktig komponent i litiumbatterier eftersom de g\u00f6r att elektroner kan fl\u00f6da mellan katod- och anodelektroderna, vilket hj\u00e4lper batteriet att uppn\u00e5 h\u00f6g energit\u00e4thet och f\u00f6rb\u00e4ttrar s\u00e4kerhet och prestanda. De m\u00e5ste vara konstruerade f\u00f6r att klara h\u00f6ga driftssp\u00e4nningar utan att elektroderna korroderar.<\/p>\n
Metaller som aluminium och koppar anv\u00e4nds ofta som str\u00f6mavtagare p\u00e5 grund av att de \u00e4r relativt billiga och har utm\u00e4rkt elektrisk ledningsf\u00f6rm\u00e5ga, men eftersom de \u00e4r spr\u00f6da kr\u00e4vs stora tjocklekar f\u00f6r att bibeh\u00e5lla den mekaniska integriteten.<\/p>\n
NREL-forskare har kommit p\u00e5 ett nytt s\u00e4tt att minska str\u00f6mavtagarens tjocklek och samtidigt \u00f6ka energit\u00e4theten. Metoden inneb\u00e4r att aktiva material fr\u00e5n litiumbatteriseparatorer bel\u00e4ggs med lim, vilket skapar tunna men l\u00e4tta str\u00f6mavtagare som kommer att bidra till att g\u00f6ra litiumbilbatterier mer energieffektiva.<\/p>\n
Forskare utforskar metoder f\u00f6r att minska tjockleken p\u00e5 str\u00f6mavtagare och samtidigt \u00f6ka deras elektrokemiska stabilitet. Kolbaserade material erbjuder mer milj\u00f6v\u00e4nliga produktionsprocesser j\u00e4mf\u00f6rt med metallbaserade och anv\u00e4nds i allt st\u00f6rre utstr\u00e4ckning som str\u00f6mavtagare.<\/p>\n
Kolbaserade str\u00f6mavtagare har m\u00e5nga f\u00f6rdelar j\u00e4mf\u00f6rt med sina styvare motsvarigheter, bland annat \u00e4r de l\u00e4ttare och tillr\u00e4ckligt flexibla f\u00f6r att f\u00f6rb\u00e4ttra batteriets energit\u00e4thet och effektkapacitet - ett allt viktigare krav med tanke p\u00e5 litiumjonbatteriets \u00f6kande popularitet.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Rapid expansion of electric vehicles (EVs) has increased demand for raw materials used to manufacture lithium batteries, necessitating their source from virgin minerals – this poses both environmental and social concerns. Lithium battery chemistries differ in terms of how much energy they can store and the number of times they can be recharged, making choosing …<\/p>\n