Li-ion-batterier

af kim Opdateret: Juli 9, 2022

Li-ion-batterier er genopladelige batterier, der indeholder lithium-ioner. De bruges i alt fra mobiltelefoner til biler. Men hvordan fungerer de?

Li-ion-batterier bruger en interkalationsproces til at lagre energi. Denne proces involverer lithium-ioner, der bevæger sig mellem katoden og anoden inde i batteriet. Hvornår opladning, bevæger ionerne sig fra anoden til katoden, og ved udladning bevæger de sig i den modsatte retning.

Men det er kun en kort oversigt. Lad os se på alt mere detaljeret.

Hvad er et lithium-ion-batteri?

Lithium-ion-batterier er overalt i disse dage! De driver vores telefoner, laptops, elbiler og meget mere. Men hvad er de helt præcist? Lad os se nærmere!

Grundlæggende

Lithium-ion-batterier består af en eller flere celler, et beskyttende printkort og et par andre komponenter:

• Elektroder: De positivt og negativt ladede ender af en celle. Tilknyttet de nuværende samlere.
• Anode: Den negative elektrode.
• Elektrolyt: En væske eller gel, der leder elektricitet.
• Strømaftagere: Ledende folier ved hver elektrode på batteriet, der er forbundet til cellens terminaler. Disse terminaler overfører den elektriske strøm mellem batteriet, enheden og den energikilde, der driver batteriet.
• Separator: En porøs polymerfilm, der adskiller elektroderne, mens den muliggør udveksling af lithiumioner fra den ene side til den anden.

Sådan fungerer det

Når du bruger en enhed, der drives af et lithium-ion-batteri, bevæger lithium-ioner sig rundt inde i batteriet mellem anoden og katoden. Samtidig bevæger elektroner sig rundt i det eksterne kredsløb. Denne bevægelse af ioner og elektroner er det, der skaber den elektriske strøm, der driver din enhed.

Når batteriet aflades, frigiver anoden lithium-ioner til katoden, hvilket genererer en strøm af elektroner, der hjælper med at drive din enhed. Når batteriet oplades, sker det modsatte: lithium-ioner frigives af katoden og modtages af anoden.

Hvor kan du finde dem?

Lithium-ion-batterier er overalt i disse dage! Du kan finde dem i telefoner, bærbare computere, elektriske køretøjer og meget mere. Så næste gang du bruger en af ​​dine yndlingsenheder, skal du bare huske, at den er drevet af et lithium-ion-batteri!

Lithium-ion-batteriets fascinerende historie

NASAs tidlige forsøg

Tilbage i 60'erne forsøgte NASA allerede at lave et genopladeligt Li-ion-batteri. De udviklede et CuF2/Li batteri, men det lykkedes ikke helt.

M. Stanley Whittinghams gennembrud

I 1974 fik den britiske kemiker M. Stanley Whittingham et gennembrud, da han brugte titandisulfid (TiS2) som katodemateriale. Denne havde en lagdelt struktur, der kunne optage lithiumioner uden at ændre dens krystalstruktur. Exxon forsøgte at kommercialisere batteriet, men det var for dyrt og komplekst. Derudover var den tilbøjelig til at antænde på grund af tilstedeværelsen af ​​metallisk lithium i cellerne.

Godshall, Mizushima og Goodenough

I 1980, Ned A. Godshall et al. og Koichi Mizushima og John B. Goodenough erstattede TiS2 med lithium cobaltoxid (LiCoO2 eller LCO). Denne havde en lignende lagdelt struktur, men med en højere spænding og mere stabilitet i luften.

Rachid Yazamis opfindelse

Samme år demonstrerede Rachid Yazami den reversible elektrokemiske interkalation af lithium i grafit og opfandt lithiumgrafitelektroden (anode).

Problemet med brændbarhed

Problemet med brændbarhed fortsatte, så lithiummetalanoder blev forladt. Den endelige løsning var at bruge en interkalationsanode, svarende til den, der blev brugt til katoden, som forhindrede dannelsen af ​​lithiummetal under batteriopladning.

Yoshinos design

I 1987 patenterede Akira Yoshino, hvad der ville blive det første kommercielle Li-ion-batteri ved hjælp af en anode af "blødt kulstof" (et trækulslignende materiale) sammen med Goodenoughs LCO-katode og en carbonatester-baseret elektrolyt.

Sonys kommercialisering

I 1991 begyndte Sony at producere og sælge verdens første genopladelige lithium-ion-batterier ved hjælp af Yoshinos design.

Nobelprisen

I 2012 modtog John B. Goodenough, Rachid Yazami og Akira Yoshino 2012 IEEE-medaljen for miljø- og sikkerhedsteknologier for at udvikle lithium-ion-batteriet. Så, i 2019, blev Goodenough, Whittingham og Yoshino tildelt Nobelprisen i kemi for det samme.

Den globale produktionskapacitet

I 2010 var den globale produktionskapacitet for Li-ion-batterier 20 gigawatt-timer. I 2016 var den vokset til 28 GWh med 16.4 GWh i Kina. I 2020 var den globale produktionskapacitet 767 GWh, hvor Kina tegnede sig for 75%. I 2021 anslås det til at være mellem 200 og 600 GWh, og forudsigelser for 2023 spænder fra 400 til 1,100 GWh.

Videnskaben bag 18650 lithium-ion-celler

Hvad er en 18650-celle?

Hvis du nogensinde har hørt om et batteri til en bærbar computer eller et elektrisk køretøj, er der stor sandsynlighed for, at du har hørt om en 18650-celle. Denne type lithium-ion-celle er cylindrisk i form og bruges i en række forskellige applikationer.

Hvad er der inde i en 18650-celle?

En 18650-celle består af flere komponenter, som alle arbejder sammen om at drive din enhed:

• Den negative elektrode er normalt lavet af grafit, en form for kulstof.
• Den positive elektrode er normalt lavet af et metaloxid.
• Elektrolytten er et lithiumsalt i et organisk opløsningsmiddel.
• En separator forhindrer anoden og katoden i at kortslutte.
• En strømaftager er et stykke metal, der adskiller den eksterne elektronik fra anoden og katoden.

Hvad gør en 18650-celle?

En 18650-celle er ansvarlig for at forsyne din enhed med strøm. Det gør den ved at skabe en kemisk reaktion mellem anoden og katoden, som producerer elektroner, der strømmer gennem det eksterne kredsløb. Elektrolytten er med til at lette denne reaktion, mens strømaftageren sikrer, at elektronerne ikke kortslutter.

Fremtiden for 18650 celler

Efterspørgslen efter batterier er stadigt stigende, så forskerne leder konstant efter måder at forbedre energitætheden, driftstemperaturen, sikkerheden, holdbarheden, opladningstiden og omkostningerne ved 18650 celler. Dette inkluderer eksperimentering med nye materialer, såsom grafen, og udforskning af alternative elektrodestrukturer.

Så næste gang du bruger din bærbare computer eller elbil, skal du tage et øjeblik på at værdsætte videnskaben bag 18650-cellen!

Typer af lithium-ionceller

Lille cylindrisk

Disse er den mest almindelige type lithium-ion-celler, og de findes i de fleste e-cykler og batterier til elektriske køretøjer. De kommer i en række standardstørrelser og har en solid krop uden nogen terminaler.

Stor cylindrisk

Disse lithium-ion-celler er større end de små cylindriske, og de har store gevindterminaler.

Flad eller pose

Det er de bløde, flade celler, som du finder i mobiltelefoner og nyere bærbare computere. De er også kendt som lithium-ion polymer batterier.

Stiv plastikkasse

Disse celler kommer med store gevindterminaler og bruges normalt i elektriske køretøjers trækkraftpakker.

Jelly Roll

Cylindriske celler er lavet på en karakteristisk "swiss roll" måde, som også er kendt som en "jelly roll" i USA. Det betyder, at det er en enkelt lang "sandwich" af den positive elektrode, separator, negative elektrode og separator rullet til en enkelt spole. Geléruller har den fordel, at de produceres hurtigere end celler med stablede elektroder.

Poseceller

Poseceller har den højeste gravimetriske energitæthed, men de har brug for et eksternt indeslutningsmiddel for at forhindre ekspansion, når deres ladningstilstand (SOC) niveau er højt.

Strømbatterier

Flow-batterier er en relativt ny type lithium-ion-batteri, der suspenderer katoden eller anodematerialet i en vandig eller organisk opløsning.

Den mindste Li-ion celle

I 2014 skabte Panasonic den mindste Li-ion-celle. Den er stiftformet og har en diameter på 3.5 mm og en vægt på 0.6 g. Det ligner almindelige lithium-batterier og er normalt betegnet med et "LiR"-præfiks.

Batteripakker

Batteripakker består af flere forbundne lithium-ion-celler og bruges til at drive større enheder, såsom elbiler. De indeholder temperatursensorer, spændingsregulatorkredsløb, spændingsudtag og ladetilstandsmonitorer for at minimere sikkerhedsrisici.

Hvad bruges lithium-ion-batterier til?

Consumer Electronics

Lithium-ion-batterier er den bedste strømkilde til alle dine yndlingsgadgets. Fra din pålidelige mobiltelefon til din bærbare computer, digital værelse, og elektriske cigaretter holder disse batterier din teknologi kørende.

Elværktøj

Hvis du er en gør-det-selv-mand, ved du, at lithium-ion-batterier er vejen at gå. Trådløse boremaskiner, slibemaskiner, save og endda haveudstyr som piskeklippere og hækkeklippere er alle afhængige af disse batterier.

Elektriske køretøjer

Elbiler, hybridkøretøjer, elektriske motorcykler og scootere, elektriske cykler, personlige transportere og avancerede elektriske kørestole bruger alle lithium-ion-batterier til at komme rundt. Og lad os ikke glemme radiostyrede modeller, modelfly og endda Mars Curiosity-roveren!

Telekommunikation

Lithium-ion-batterier bruges også som reservestrøm i telekommunikationsapplikationer. Plus, de bliver diskuteret som en potentiel mulighed for netenergilagring, selvom de ikke er helt omkostningskonkurrencedygtige endnu.

Hvad du behøver at vide om lithium-ion-batteriydelse

Energitæthed

Når det kommer til lithium-ion-batterier, ser du på en seriøs energitæthed! Vi taler om 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) og 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). Det er nok strøm til at lyse en lille by op!

Spænding

Lithium-ion-batterier har højere åben kredsløbsspænding end andre typer batterier, såsom bly-syre, nikkel-metalhydrid og nikkel-cadmium.

Intern modstand

Den indre modstand stiger med både cykling og alder, men dette afhænger af spændingen og temperaturen batterierne opbevares ved. Det betyder, at spændingen ved terminalerne falder under belastning, hvilket reducerer det maksimale strømforbrug.

Opladningstid

De dage, hvor lithium-ion-batterier tog to timer eller mere at oplade, er forbi. I dag kan du få en fuld opladning på 45 minutter eller mindre! I 2015 demonstrerede forskere endda et batteri på 600 mAh opladet til 68 procent kapacitet på to minutter og et 3,000 mAh batteri opladet til 48 procent kapacitet på fem minutter.

Omkostningsreduktion

Lithium-ion-batterier er kommet langt siden 1991. Priserne er faldet 97%, og energitætheden er mere end tredoblet. Celler af forskellig størrelse med samme kemi kan også have forskellige energitætheder, så du kan få mere for pengene.

Hvad er problemet med lithium-ion-batteriets levetid?

Grundlæggende

Når det kommer til lithium-ion-batterier, måles levetiden normalt i forhold til antallet af fulde opladnings-afladningscyklusser, det tager at nå en vis tærskel. Denne tærskel er normalt defineret som et kapacitetstab eller en impedansstigning. Producenter bruger normalt udtrykket "cykluslevetid" til at beskrive et batteris levetid i forhold til antallet af cyklusser, det tager at nå 80 % af dets nominelle kapacitet.

Opbevaring af lithium-ion-batterier i en opladet tilstand reducerer også deres kapacitet og øger cellemodstanden. Dette er hovedsageligt på grund af den kontinuerlige vækst af den faste elektrolytgrænseflade på anoden. Hele livscyklussen for et batteri, inklusive både cyklus og inaktive lagringsoperationer, omtales som kalenderlevetiden.

Faktorer, der påvirker batteriets levetid

Et batteris cykluslevetid påvirkes af flere faktorer, såsom:

• Temperatur
• Udladningsstrøm
• Opladestrøm
• Ladetilstandsområder (afladningsdybde)

I applikationer fra den virkelige verden, såsom smartphones, bærbare computere og elbiler, er batterier ikke altid fuldt opladet og afladet. Det er grunden til, at det kan være misvisende at definere batterilevetid i form af fulde afladningscyklusser. For at undgå denne forvirring bruger forskere nogle gange kumulativ afladning, som er den samlede mængde ladning (Ah) leveret af batteriet i hele dets levetid eller tilsvarende hele cyklusser.

Nedbrydning af batteri

Batterier nedbrydes gradvist i løbet af deres levetid, hvilket fører til reduceret kapacitet og i nogle tilfælde lavere driftscellespænding. Dette skyldes en række kemiske og mekaniske ændringer på elektroderne. Nedbrydning er stærkt temperaturafhængig, og høje ladningsniveauer fremskynder også kapacitetstab.

Nogle af de mest almindelige nedbrydningsprocesser omfatter:

• Reduktion af den organiske carbonatelektrolyt ved anoden, hvilket resulterer i vækst af Solid Electrolyte Interface (SEI). Dette forårsager en stigning i ohmsk impedans og en reduktion i cyklisk Ah-ladning.

• Lithiummetalbelægning, hvilket også fører til tab af lithiumbeholdning (cyklerbar Ah-ladning) og intern kortslutning.

• Tab af de (negative eller positive) elektroaktive materialer på grund af opløsning, revner, eksfoliering, løsrivelse eller endda regelmæssig volumenændring under cykling. Dette viser sig, når både ladning og strøm falmer (øget modstand).

• Korrosion/opløsning af den negative kobberstrømkollektor ved lave cellespændinger.

• Nedbrydning af PVDF-bindemidlet, som kan forårsage løsrivelse af de elektroaktive materialer.

Så hvis du leder efter et batteri, der holder, så sørg for at holde øje med alle de faktorer, der kan påvirke dets levetid!

Farerne ved lithium-ion-batterier

Hvad er lithium-ion-batterier?

Lithium-ion-batterier er kraftcentrene i vores moderne verden. De findes i alt fra smartphones til elbiler. Men som alle magtfulde ting, kommer de med nogle få risici.

Hvad er risikoen?

Lithium-ion-batterier indeholder en brændbar elektrolyt og kan komme under tryk, hvis de beskadiges. Det betyder, at hvis et batteri oplades for hurtigt, kan det forårsage kortslutning og føre til eksplosioner og brande.

Her er nogle af de måder, lithium-ion-batterier kan blive farlige på:

• Termisk misbrug: Dårlig køling eller ekstern brand
• Elektrisk misbrug: Overopladning eller ekstern kortslutning
• Mekanisk misbrug: Penetration eller nedbrud
• Intern kortslutning: Produktionsfejl eller ældning

Hvad kan der gøres?

Teststandarder for lithium-ion-batterier er strengere end for syre-elektrolyt-batterier. Forsendelsesbegrænsninger er også blevet pålagt af sikkerhedsregulatorer.

I nogle tilfælde har virksomheder været nødt til at tilbagekalde produkter på grund af batterirelaterede problemer, såsom tilbagekaldelsen af ​​Samsung Galaxy Note 7 i 2016.

Forskningsprojekter er i gang for at udvikle ikke-brændbare elektrolytter for at reducere brandfaren.

Hvis lithium-ion-batterier beskadiges, knuses eller udsættes for en højere elektrisk belastning uden overopladningsbeskyttelse, kan der opstå problemer. Kortslutning af et batteri kan få det til at overophedes og muligvis gå i brand.

The Bottom Line

Lithium-ion-batterier er kraftfulde og har revolutioneret vores verden, men de kommer med nogle risici. Det er vigtigt at være opmærksom på disse risici og tage skridt til at reducere dem.

Miljøpåvirkningen af ​​lithium-ion-batterier

Hvad er lithium-ion-batterier?

Lithium-ion-batterier er strømkilden til mange af vores daglige enheder, fra telefoner og bærbare computere til elbiler. De består af lithium, nikkel og kobolt og er kendt for deres høje energitæthed og lange levetid.

Hvad er miljøpåvirkningerne?

Produktionen af ​​lithium-ion-batterier kan have en alvorlig miljøpåvirkning, herunder:

• Udvinding af lithium, nikkel og kobolt kan være farligt for vandlevende organismer, hvilket fører til vandforurening og luftvejsproblemer.
• Minebiprodukter kan forårsage økosystemforringelse og landskabsskader.
• Ubæredygtigt vandforbrug i tørre områder.
• Massiv biproduktgenerering af lithiumekstraktion.
• Globalt opvarmningspotentiale ved fremstilling af lithium-ion-batterier.

Hvad kan vi gøre?

Vi kan hjælpe med at reducere miljøpåvirkningen af ​​lithium-ion-batterier ved at:

• Genbrug af lithium-ion-batterier for at reducere produktionens kulstofaftryk.
• Genbruge batterier i stedet for at genbruge dem.
• Opbevaring af brugte batterier sikkert for at reducere risici.
• Brug af pyrometallurgiske og hydrometallurgiske metoder til at adskille batteriets komponenter.
• Raffinering af slagger fra genbrugsprocessen til brug i cementindustrien.

Indvirkningen af ​​lithiumudvinding på menneskerettigheder

Farer for lokalbefolkningen

Udvinding af råmaterialer til lithium-ion-batterier kan være farligt for lokale befolkninger, især oprindelige folk. Kobolt fra Den Demokratiske Republik Congo udvindes ofte med få sikkerhedsforanstaltninger, hvilket fører til kvæstelser og dødsfald. Forurening fra disse miner har udsat mennesker for giftige kemikalier, der kan forårsage fødselsdefekter og åndedrætsbesvær. Det er også blevet rapporteret, at der bruges børnearbejde i disse miner.

Mangel på gratis forudgående og informeret samtykke

En undersøgelse i Argentina viste, at staten muligvis ikke har beskyttet oprindelige folks ret til gratis forudgående og informeret samtykke, og at udvindingsvirksomheder kontrollerede samfundets adgang til information og fastsatte betingelserne for diskussion af projekterne og fordelingsdeling.

Protester og retssager

Udviklingen af ​​Thacker Pass lithiumminen i Nevada er blevet mødt med protester og retssager fra flere indfødte stammer, der siger, at de ikke fik gratis forudgående og informeret samtykke, og at projektet truer kulturelle og hellige steder. Folk har også udtrykt bekymring for, at projektet vil skabe risici for indfødte kvinder. Demonstranter har besat stedet siden januar 2021.

Indvirkningen af ​​lithiumudvinding på menneskerettigheder

Farer for lokalbefolkningen

Udvinding af råmaterialer til lithium-ion-batterier kan være en reel nederdel for lokale befolkninger, især oprindelige folk. Kobolt fra Den Demokratiske Republik Congo udvindes ofte med få sikkerhedsforanstaltninger, hvilket fører til kvæstelser og dødsfald. Forurening fra disse miner har udsat mennesker for giftige kemikalier, der kan forårsage fødselsdefekter og åndedrætsbesvær. Det er også blevet rapporteret, at der bruges børnearbejde i disse miner. Yikes!

Mangel på gratis forudgående og informeret samtykke

En undersøgelse i Argentina viste, at staten muligvis ikke har givet oprindelige folk ret til gratis forudgående og informeret samtykke, og at udvindingsvirksomheder kontrollerede samfundets adgang til information og fastsatte betingelserne for diskussion af projekterne og fordelingsdeling. Ikke sejt.

Protester og retssager

Udviklingen af ​​Thacker Pass lithiumminen i Nevada er blevet mødt med protester og retssager fra flere indfødte stammer, der siger, at de ikke fik gratis forudgående og informeret samtykke, og at projektet truer kulturelle og hellige steder. Folk har også udtrykt bekymring for, at projektet vil skabe risici for indfødte kvinder. Demonstranter har besat stedet siden januar 2021, og det ser ikke ud til, at de planlægger at forlade stedet snart.

Forskelle

Li-Ion batterier vs Lipo

Når det kommer til Li-ion vs LiPo batterier, er det en kamp mellem titanerne. Li-ion-batterier er utroligt effektive og pakker et ton energi i en lille pakke. Men de kan være ustabile og farlige, hvis barrieren mellem de positive og negative elektroder brydes. Til gengæld er LiPo-batterier meget mere sikre, da de ikke lider af samme risiko for forbrænding. De lider heller ikke af den "hukommelseseffekt", som Li-ion-batterier gør, hvilket betyder, at de kan genoplades flere gange uden at miste deres kapacitet. Derudover har de en længere levetid end Li-ion-batterier, så du behøver ikke bekymre dig om at udskifte dem så ofte. Så hvis du leder efter et batteri, der er sikkert, pålideligt og langtidsholdbart, er LiPo vejen at gå!

Li-ion batterier vs blysyre

Blybatterier er billigere end lithium-ion-batterier, men de yder ikke så godt. Blysyrebatterier kan tage op til 10 timer at oplade, mens lithium-ion-batterier kan oplades på så lidt som et par minutter. Det skyldes, at lithium-ion-batterier kan acceptere en hurtigere strømhastighed og oplade hurtigere end blybatterier. Så hvis du leder efter et batteri, der oplades hurtigt og effektivt, er lithium-ion vejen at gå. Men hvis du er på et budget, er blysyre den mere overkommelige løsning.

FAQ

Er Li-ion batteri det samme som lithium?

Nej, Li-ion-batterier og lithium-batterier er ikke det samme! Lithium-batterier er primære celler, hvilket betyder, at de ikke er genopladelige. Så når du først har brugt dem, er de færdige. På den anden side er Li-ion-batterier sekundære celler, hvilket betyder, at de kan genoplades og bruges igen og igen. Plus, Li-ion-batterier er dyrere og tager længere tid at lave end lithium-batterier. Så hvis du leder efter et batteri, der kan genoplades, er Li-ion vejen at gå. Men hvis du vil have noget, der er billigere og holder længere, er lithium det bedste bud.

Har du brug for en speciel oplader til lithium-batterier?

Nej, du behøver ikke en speciel oplader til lithium-batterier! Med iTechworld lithium-batterier behøver du ikke at opgradere hele dit opladningssystem og bruge ekstra penge. Alt du behøver er din eksisterende blysyreoplader, og du er godt i gang. Vores lithium-batterier har et specielt Battery Management System (BMS), der sikrer, at dit batteri oplades korrekt med din eksisterende oplader.
Den eneste oplader, vi ikke anbefaler at bruge, er en, der er designet til calciumbatterier. Det skyldes, at spændingsindgangen normalt er højere end det, der anbefales til lithium-deep cycle-batterier. Men bare rolig, hvis du ved et uheld bruger en calciumoplader, vil BMS registrere højspændingen og gå i sikker tilstand, hvilket beskytter dit batteri mod enhver skade. Så bræk ikke penge ved at købe en speciel oplader – brug bare din eksisterende, og du er klar!

Hvor lang er levetiden for et lithium-ion batteri?

Lithium-ion-batterier er kraften bag dine daglige gadgets. Men hvor længe holder de? Nå, det gennemsnitlige lithium-ion-batteri skal holde mellem 300 og 500 opladnings-/afladningscyklusser. Det er som at oplade din telefon en gang om dagen i over et år! Derudover behøver du ikke bekymre dig om hukommelsesproblemer, som du plejede. Bare hold dit batteri tændt og køligt, så er du godt i gang. Så hvis du passer godt på det, bør dit lithium-ion-batteri holde dig et godt stykke tid.

Hvad er den største ulempe ved Li-ion batteri?

Den største ulempe ved Li-ion-batterier er deres omkostninger. De er omkring 40 % dyrere end Ni-Cd, så hvis du er på et budget, bør du måske kigge andre steder. Derudover er de tilbøjelige til at ældes, hvilket betyder, at de kan miste kapacitet og fejle efter et par år. Er der ikke nogen, der har tid til det! Så hvis du vil investere i Li-ion, så sørg for at lave din research og få det bedste valuta for pengene.

Konklusion

Som konklusion er Li-ion-batterier en revolutionerende teknologi, der driver vores daglige enheder, fra mobiltelefoner til elektriske køretøjer. Med den rette viden kan disse batterier bruges sikkert og effektivt, så vær ikke bange for at tage springet og udforske Li-ion-batteriernes verden!

Hej, jeg er Kim, en mor og en stop-motion entusiast med en baggrund i medieskabelse og webudvikling. Jeg har en kæmpe passion for tegning og animation, og nu dykker jeg med hovedet ind i stop-motion-verdenen. Med min blog deler jeg mine erfaringer med jer.