Li-ion-batterier

av kim oppdatert: Juli 9, 2022

Li-ion-batterier er oppladbare batterier som inneholder litiumioner. De brukes i alt fra mobiltelefoner til biler. Men hvordan fungerer de?

Li-ion-batterier bruker en interkaleringsprosess for å lagre energi. Denne prosessen innebærer at litiumioner beveger seg mellom katoden og anoden inne i batteriet. Når lading, ionene beveger seg fra anoden til katoden, og når de utlades, beveger de seg i motsatt retning.

Men det er bare en kort oversikt. La oss se på alt mer detaljert.

Hva er et litium-ion-batteri?

Litium-ion-batterier er overalt i disse dager! De driver telefonene våre, bærbare datamaskiner, elektriske kjøretøy og mer. Men hva er de egentlig? La oss ta en nærmere titt!

Grunnleggende

Litium-ion-batterier består av en eller flere celler, et beskyttende kretskort og noen få andre komponenter:

• Elektroder: De positivt og negativt ladede endene av en celle. Festes til dagens samlere.
• Anode: Den negative elektroden.
• Elektrolytt: En væske eller gel som leder elektrisitet.
• Strømkollektorer: Ledende folier ved hver elektrode på batteriet som er koblet til terminalene på cellen. Disse terminalene overfører den elektriske strømmen mellom batteriet, enheten og energikilden som driver batteriet.
• Separator: En porøs polymerfilm som skiller elektrodene samtidig som den muliggjør utveksling av litiumioner fra den ene siden til den andre.

Hvordan det fungerer

Når du bruker en enhet som drives av et litiumionbatteri, beveger litiumioner seg rundt inne i batteriet mellom anoden og katoden. Samtidig beveger elektroner seg rundt i den eksterne kretsen. Denne bevegelsen av ioner og elektroner er det som skaper den elektriske strømmen som driver enheten din.

Når batteriet lades ut, frigjør anoden litiumioner til katoden, og genererer en strøm av elektroner som bidrar til å drive enheten din. Når batteriet lades, skjer det motsatte: litiumioner frigjøres av katoden og mottas av anoden.

Hvor finner du dem?

Litium-ion-batterier er overalt i disse dager! Du kan finne dem på telefoner, bærbare datamaskiner, elektriske kjøretøy og mer. Så neste gang du bruker en av favorittenhetene dine, bare husk at den drives av et litium-ion-batteri!

Lithium-ion-batteriets fascinerende historie

NASAs tidlige forsøk

Tilbake på 60-tallet prøvde NASA allerede å lage et oppladbart Li-ion-batteri. De utviklet et CuF2/Li-batteri, men det gikk ikke helt.

M. Stanley Whittinghams gjennombrudd

I 1974 fikk den britiske kjemikeren M. Stanley Whittingham et gjennombrudd da han brukte titandisulfid (TiS2) som katodemateriale. Denne hadde en lagdelt struktur som kunne ta inn litiumioner uten å endre krystallstrukturen. Exxon prøvde å kommersialisere batteriet, men det var for dyrt og komplisert. I tillegg var den utsatt for å ta fyr på grunn av tilstedeværelsen av metallisk litium i cellene.

Godshall, Mizushima og Goodenough

I 1980, Ned A. Godshall et al. og Koichi Mizushima og John B. Goodenough erstattet TiS2 med litiumkoboltoksid (LiCoO2, eller LCO). Denne hadde en lignende lagdelt struktur, men med høyere spenning og mer stabilitet i luft.

Rachid Yazamis oppfinnelse

Samme år demonstrerte Rachid Yazami den reversible elektrokjemiske interkaleringen av litium i grafitt og oppfant litiumgrafittelektroden (anode).

Problemet med brennbarhet

Problemet med brennbarhet vedvarte, så litiummetallanoder ble forlatt. Den endelige løsningen var å bruke en interkalasjonsanode, lik den som ble brukt til katoden, som forhindret dannelsen av litiummetall under batterilading.

Yoshinos design

I 1987 patenterte Akira Yoshino det som skulle bli det første kommersielle Li-ion-batteriet ved å bruke en anode av "mykt karbon" (et kulllignende materiale) sammen med Goodenoughs LCO-katode og en karbonatester-basert elektrolytt.

Sonys kommersialisering

I 1991 begynte Sony å produsere og selge verdens første oppladbare litium-ion-batterier ved å bruke Yoshinos design.

Nobelprisen

I 2012 mottok John B. Goodenough, Rachid Yazami og Akira Yoshino 2012 IEEE-medaljen for miljø- og sikkerhetsteknologier for å utvikle litiumionbatteriet. Så, i 2019, ble Goodenough, Whittingham og Yoshino tildelt Nobelprisen i kjemi for det samme.

Den globale produksjonskapasiteten

I 2010 var den globale produksjonskapasiteten til Li-ion-batterier 20 gigawatt-timer. I 2016 hadde den vokst til 28 GWh, med 16.4 GWh i Kina. I 2020 var den globale produksjonskapasiteten 767 GWh, med Kina som stod for 75 %. I 2021 er det anslått å være mellom 200 og 600 GWh, og spådommer for 2023 varierer fra 400 til 1,100 GWh.

Vitenskapen bak 18650 litiumionceller

Hva er en 18650-celle?

Hvis du noen gang har hørt om et bærbart batteri eller et elektrisk kjøretøy, er sjansen stor for at du har hørt om en 18650-celle. Denne typen litiumionceller er sylindrisk i form og brukes i en rekke bruksområder.

Hva er inne i en 18650-celle?

En 18650-celle består av flere komponenter, som alle jobber sammen for å drive enheten din:

• Den negative elektroden er vanligvis laget av grafitt, en form for karbon.
• Den positive elektroden er vanligvis laget av et metalloksid.
• Elektrolytten er et litiumsalt i et organisk løsningsmiddel.
• En separator hindrer anoden og katoden i å kortslutte.
• En strømkollektor er et metallstykke som skiller den eksterne elektronikken fra anoden og katoden.

Hva gjør en 18650-celle?

En 18650-celle er ansvarlig for å drive enheten din. Den gjør dette ved å skape en kjemisk reaksjon mellom anoden og katoden, som produserer elektroner som strømmer gjennom den eksterne kretsen. Elektrolytten bidrar til å lette denne reaksjonen, mens strømsamleren sørger for at elektronene ikke kortslutter.

Fremtiden til 18650 celler

Etterspørselen etter batterier er stadig økende, så forskere leter stadig etter måter å forbedre energitettheten, driftstemperaturen, sikkerheten, holdbarheten, ladetiden og kostnadene for 18650 celler. Dette inkluderer eksperimentering med nye materialer, som grafen, og å utforske alternative elektrodestrukturer.

Så neste gang du bruker den bærbare datamaskinen eller elbilen, ta deg tid til å sette pris på vitenskapen bak 18650-cellen!

Typer litiumionceller

Liten sylindrisk

Dette er den vanligste typen litium-ion-celler, og de finnes i de fleste e-sykler og elektriske kjøretøybatterier. De kommer i en rekke standardstørrelser og har en solid kropp uten noen terminaler.

Stor sylindrisk

Disse litiumioncellene er større enn de små sylindriske, og de har store gjengede terminaler.

Flat eller pose

Dette er de myke, flate cellene du finner i mobiltelefoner og nyere bærbare datamaskiner. De er også kjent som litium-ion-polymerbatterier.

Stiv plastkoffert

Disse cellene kommer med store gjengede terminaler og brukes vanligvis i trekkraftpakker for elektriske kjøretøy.

Jelly Roll

Sylindriske celler er laget på en karakteristisk "swiss roll" måte, som også er kjent som en "jelly roll" i USA. Dette betyr at det er en enkelt lang "sandwich" av den positive elektroden, separatoren, den negative elektroden og separatoren rullet inn i en enkelt spole. Geléruller har fordelen av å produseres raskere enn celler med stablede elektroder.

Poseceller

Poseceller har den høyeste gravimetriske energitettheten, men de trenger et eksternt inneslutningsmiddel for å forhindre ekspansjon når ladetilstandsnivået (SOC) er høyt.

Flow batterier

Strømningsbatterier er en relativt ny type litiumionbatteri som suspenderer katoden eller anodematerialet i en vandig eller organisk løsning.

Den minste Li-ion-cellen

I 2014 skapte Panasonic den minste Li-ion-cellen. Den er stiftformet og har en diameter på 3.5 mm og en vekt på 0.6 g. Det ligner på vanlige litiumbatterier og er vanligvis betegnet med et "LiR"-prefiks.

Batteripakker

Batteripakker består av flere tilkoblede litium-ion-celler og brukes til å drive større enheter, for eksempel elbiler. De inneholder temperatursensorer, spenningsregulatorkretser, spenningsuttak og ladetilstandsmonitorer for å minimere sikkerhetsrisikoen.

Hva brukes litium-ion-batterier til?

Consumer Electronics

Litium-ion-batterier er den beste strømkilden for alle favorittdingsene dine. Fra din pålitelige mobiltelefon til den bærbare datamaskinen, digital rom, og elektriske sigaretter, disse batteriene holder teknologien i gang.

Elektroverktøy

Hvis du er en gjør-det-selv-er, vet du at litium-ion-batterier er veien å gå. Batteridrevne bormaskiner, slipemaskiner, sager og til og med hageutstyr som piskeklippere og hekksakser er avhengige av disse batteriene.

Elektriske kjøretøyer

Elektriske biler, hybridbiler, elektriske motorsykler og scootere, elektriske sykler, personlige transportører og avanserte elektriske rullestoler bruker alle litium-ion-batterier for å komme seg rundt. Og la oss ikke glemme radiostyrte modeller, modellfly og til og med Mars Curiosity-roveren!

Telekommunikasjon

Litium-ion-batterier brukes også som reservekraft i telekommunikasjonsapplikasjoner. I tillegg blir de diskutert som et potensielt alternativ for nettenergilagring, selv om de ikke er helt kostnadskonkurransedyktige ennå.

Hva du trenger å vite om litium-ion-batteriytelse

Energi tetthet

Når det kommer til litium-ion-batterier, ser du på en seriøs energitetthet! Vi snakker 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) og 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). Det er nok kraft til å lyse opp en liten by!

Spenning

Litium-ion-batterier har høyere åpen kretsspenning enn andre typer batterier, som bly-syre, nikkel-metallhydrid og nikkel-kadmium.

Intern motstand

Intern motstand øker med både sykling og alder, men dette avhenger av spenningen og temperaturen batteriene lagres ved. Dette betyr at spenningen på terminalene faller under belastning, og reduserer det maksimale strømtrekket.

Ladetid

Borte er dagene da litium-ion-batterier tok to timer eller mer å lade. I dag kan du få full lading på 45 minutter eller mindre! I 2015 demonstrerte forskere til og med et batteri på 600 mAh ladet til 68 prosent kapasitet på to minutter og et 3,000 mAh batteri ladet til 48 prosent kapasitet på fem minutter.

Kostnadsreduksjon

Litium-ion-batterier har kommet langt siden 1991. Prisene har falt 97 % og energitettheten er mer enn tredoblet. Celler med forskjellig størrelse med samme kjemi kan også ha forskjellig energitetthet, slik at du kan få mer igjen for pengene.

Hva er greia med litium-ion-batteriets levetid?

Grunnleggende

Når det gjelder litium-ion-batterier, måles levetiden vanligvis i form av antall fulle lade-utladingssykluser det tar å nå en viss terskel. Denne terskelen er vanligvis definert som et kapasitetstap eller en impedansøkning. Produsenter bruker vanligvis begrepet "sykluslevetid" for å beskrive levetiden til et batteri i form av antall sykluser det tar å nå 80 % av dets nominelle kapasitet.

Oppbevaring av litium-ion-batterier i ladet tilstand reduserer også kapasiteten og øker cellemotstanden. Dette er hovedsakelig på grunn av den kontinuerlige veksten av det faste elektrolyttgrensesnittet på anoden. Hele livssyklusen til et batteri, inkludert både syklusen og inaktive lagringsoperasjoner, refereres til som kalenderlevetiden.

Faktorer som påvirker batteriets levetid

Et batteris sykluslevetid påvirkes av flere faktorer, for eksempel:

• Temperatur
• Avladningsstrøm
• Ladestrøm
• Ladetilstandsområder (utladningsdybde)

I virkelige applikasjoner, som smarttelefoner, bærbare datamaskiner og elbiler, er ikke batterier alltid fulladet og utladet. Dette er grunnen til at det kan være misvisende å definere batterilevetid i form av fulle utladingssykluser. For å unngå denne forvirringen bruker forskere noen ganger kumulativ utladning, som er den totale mengden ladning (Ah) som leveres av batteriet i løpet av hele levetiden eller tilsvarende fulle sykluser.

Batteriforringelse

Batterier degraderes gradvis over levetiden, noe som fører til redusert kapasitet og i noen tilfeller lavere driftscellespenning. Dette skyldes en rekke kjemiske og mekaniske endringer på elektrodene. Nedbrytning er sterkt temperaturavhengig, og høye ladenivåer fremskynder også kapasitetstap.

Noen av de vanligste nedbrytningsprosessene inkluderer:

• Reduksjon av den organiske karbonatelektrolytten ved anoden, noe som resulterer i vekst av Solid Electrolyte Interface (SEI). Dette forårsaker en økning i ohmsk impedans og en reduksjon i syklusbar Ah-ladning.

• Litiummetallbelegg, som også fører til tap av litiumlager (syklbar Ah-ladning) og intern kortslutning.

• Tap av de (negative eller positive) elektroaktive materialene på grunn av oppløsning, sprekker, eksfoliering, løsrivelse eller til og med regelmessig volumendring under sykling. Dette viser seg når både ladning og strøm falmer (økt motstand).

• Korrosjon/oppløsning av den negative kobberstrømkollektoren ved lave cellespenninger.

• Nedbrytning av PVDF-bindemiddelet, som kan føre til at de elektroaktive materialene løsner.

Så hvis du leter etter et batteri som varer, sørg for å holde øye med alle faktorene som kan påvirke levetiden!

Farene ved litium-ion-batterier

Hva er litium-ion-batterier?

Litium-ion-batterier er kraftsentrene i vår moderne verden. De finnes i alt fra smarttelefoner til elbiler. Men som alle kraftige ting, kommer de med noen få risikoer.

Hva er risikoen?

Litium-ion-batterier inneholder en brennbar elektrolytt og kan settes under trykk hvis de blir skadet. Det betyr at dersom et batteri lades for raskt, kan det føre til kortslutning og føre til eksplosjoner og branner.

Her er noen av måtene litium-ion-batterier kan bli farlige på:

• Termisk misbruk: Dårlig kjøling eller ekstern brann
• Elektrisk misbruk: Overlading eller ekstern kortslutning
• Mekanisk misbruk: Penetrasjon eller krasj
• Intern kortslutning: Produksjonsfeil eller aldring

Hva kan bli gjort?

Teststandarder for litium-ion-batterier er strengere enn for syre-elektrolytt-batterier. Fraktbegrensninger er også pålagt av sikkerhetsregulatorer.

I noen tilfeller har selskaper måttet tilbakekalle produkter på grunn av batterirelaterte problemer, som tilbakekallingen av Samsung Galaxy Note 7 i 2016.

Forskningsprosjekter er i gang for å utvikle ikke-brennbare elektrolytter for å redusere brannfaren.

Hvis litium-ion-batterier blir skadet, knust eller utsatt for en høyere elektrisk belastning uten overladingsbeskyttelse, kan det oppstå problemer. Kortslutning av et batteri kan føre til at det overopphetes og muligens ta fyr.

Bunnlinjen

Litium-ion-batterier er kraftige og har revolusjonert vår verden, men de har en viss risiko. Det er viktig å være klar over disse risikoene og ta skritt for å redusere dem.

Miljøpåvirkningen av litiumionbatterier

Hva er litium-ion-batterier?

Litium-ion-batterier er strømkilden for mange av våre daglige enheter, fra telefoner og bærbare datamaskiner til elbiler. De består av litium, nikkel og kobolt, og er kjent for sin høye energitetthet og lange levetid.

Hva er miljøpåvirkningene?

Produksjonen av litium-ion-batterier kan ha en alvorlig miljøpåvirkning, inkludert:

• Utvinning av litium, nikkel og kobolt kan være farlig for vannlevende organismer, og føre til vannforurensning og luftveisproblemer.
• Biprodukter fra gruvedrift kan forårsake økosystemforringelse og landskapsskader.
• Ubærekraftig vannforbruk i tørre områder.
• Massiv biproduktgenerering av litiumekstraksjon.
• Global oppvarmingspotensial ved produksjon av litiumionbatterier.

Hva kan vi gjøre?

Vi kan bidra til å redusere miljøpåvirkningen av litium-ion-batterier ved å:

• Resirkulering av litium-ion-batterier for å redusere produksjonens karbonavtrykk.
• Gjenbruk av batterier i stedet for å resirkulere dem.
• Oppbevar brukte batterier trygt for å redusere risikoen.
• Bruk av pyrometallurgiske og hydrometallurgiske metoder for å skille komponentene i batteriet.
• Raffinering av slagg fra gjenvinningsprosessen til bruk i sementindustrien.

Virkningen av litiumutvinning på menneskerettighetene

Farer for lokalbefolkningen

Å utvinne råvarer til litiumionbatterier kan være farlig for lokalbefolkningen, spesielt urfolk. Kobolt fra Den demokratiske republikken Kongo blir ofte utvunnet med få sikkerhetstiltak, noe som fører til skader og dødsfall. Forurensning fra disse gruvene har utsatt folk for giftige kjemikalier som kan forårsake fødselsskader og pustevansker. Det er også rapportert at barnearbeid brukes i disse gruvene.

Mangel på gratis forhånds- og informert samtykke

En studie i Argentina fant at staten kanskje ikke har beskyttet urfolks rett til fritt forhånds- og informert samtykke, og at utvinningsselskaper kontrollerte samfunnets tilgang til informasjon og satte vilkårene for diskusjon av prosjektene og fordelingsdeling.

Protester og rettssaker

Utbyggingen av litiumgruven Thacker Pass i Nevada har blitt møtt med protester og søksmål fra flere urfolksstammer som sier at de ikke ble gitt gratis forhåndssamtykke og at prosjektet truer kulturelle og hellige steder. Folk har også uttrykt bekymring for at prosjektet vil skape risiko for urfolkskvinner. Demonstranter har okkupert stedet siden januar 2021.

Virkningen av litiumutvinning på menneskerettighetene

Farer for lokalbefolkningen

Å trekke ut råmaterialer til litiumionbatterier kan være en reell plage for lokalbefolkningen, spesielt urfolk. Kobolt fra Den demokratiske republikken Kongo blir ofte utvunnet med få sikkerhetstiltak, noe som fører til skader og dødsfall. Forurensning fra disse gruvene har utsatt folk for giftige kjemikalier som kan forårsake fødselsskader og pustevansker. Det er også rapportert at barnearbeid brukes i disse gruvene. Jøss!

Mangel på gratis forhånds- og informert samtykke

En studie i Argentina fant at staten kanskje ikke har gitt urfolk rett til fritt forhånds- og informert samtykke, og at utvinningsselskaper kontrollerte samfunnets tilgang til informasjon og satte vilkårene for diskusjon av prosjektene og fordelingsdeling. Ikke kult.

Protester og rettssaker

Utviklingen av litiumgruven Thacker Pass i Nevada har blitt møtt med protester og søksmål fra flere urfolksstammer som sier at de ikke ble gitt gratis forhåndssamtykke og at prosjektet truer kulturelle og hellige steder. Folk har også uttrykt bekymring for at prosjektet vil skape risiko for urfolkskvinner. Demonstranter har okkupert stedet siden januar 2021, og det ser ikke ut til at de planlegger å forlate stedet med det første.

Forskjeller

Li-Ion batterier vs Lipo

Når det kommer til Li-ion vs LiPo-batterier, er det en kamp mellom titanene. Li-ion-batterier er utrolig effektive og pakker massevis av energi i en liten pakke. Men de kan være ustabile og farlige hvis barrieren mellom de positive og negative elektrodene brytes. På den annen side er LiPo-batterier mye sikrere, siden de ikke lider av samme risiko for forbrenning. De lider heller ikke av "minneeffekten" som Li-ion-batterier gjør, noe som betyr at de kan lades opp flere ganger uten å miste kapasiteten. I tillegg har de lengre levetid enn Li-ion-batterier, så du trenger ikke å bekymre deg for å bytte dem ut så ofte. Så hvis du leter etter et batteri som er trygt, pålitelig og langvarig, er LiPo veien å gå!

Li-ion-batterier vs blysyre

Blybatterier er billigere enn litium-ion-batterier, men de fungerer ikke like bra. Blysyrebatterier kan ta opptil 10 timer å lade, mens litiumionbatterier kan lades på så lite som noen få minutter. Det er fordi litiumionbatterier kan akseptere en raskere strømhastighet, og lades raskere enn blybatterier. Så hvis du leter etter et batteri som lades raskt og effektivt, er litiumion veien å gå. Men hvis du har et budsjett, er blysyre det rimeligere alternativet.

FAQ

Er Li-ion batteri det samme som litium?

Nei, Li-ion-batterier og litiumbatterier er ikke det samme! Litiumbatterier er primærceller, noe som betyr at de ikke er oppladbare. Så når du først bruker dem, er de ferdige. På den annen side er Li-ion-batterier sekundære celler, noe som betyr at de kan lades opp og brukes igjen og igjen. I tillegg er Li-ion-batterier dyrere og tar lengre tid å lage enn litiumbatterier. Så hvis du leter etter et batteri som kan lades, er Li-ion veien å gå. Men hvis du vil ha noe som er billigere og varer lenger, er litium det beste alternativet.

Trenger du en spesiell lader for litiumbatterier?

Nei, du trenger ikke en spesiell lader for litiumbatterier! Med iTechworld litiumbatterier trenger du ikke å oppgradere hele ladesystemet og bruke ekstra penger. Alt du trenger er din eksisterende blysyrelader, og du er i gang. Litiumbatteriene våre har et spesielt Battery Management System (BMS) som sikrer at batteriet lades riktig med din eksisterende lader.
Den eneste laderen vi ikke anbefaler å bruke er en beregnet for kalsiumbatterier. Det er fordi spenningsinngangen vanligvis er høyere enn det som er anbefalt for litium-dypsyklusbatterier. Men ikke bekymre deg, hvis du ved et uhell bruker en kalsiumlader, vil BMS oppdage høyspenningen og gå inn i sikker modus, og beskytte batteriet mot skade. Så ikke knekk banken ved å kjøpe en spesiell lader – bare bruk den eksisterende, så er du klar!

Hvor lang er levetiden til et litium-ion-batteri?

Litium-ion-batterier er kraften bak dine hverdagsdingser. Men hvor lenge varer de? Vel, det gjennomsnittlige litium-ion-batteriet skal vare mellom 300 og 500 lade-/utladingssykluser. Det er som å lade telefonen en gang om dagen i over et år! I tillegg trenger du ikke å bekymre deg for minneproblemer som du pleide. Bare hold batteriet toppet og kjølig, så er du i gang. Så hvis du tar godt vare på det, bør litium-ion-batteriet vare en god stund.

Hva er den største ulempen med Li-ion batteri?

Den største ulempen med Li-ion-batterier er kostnadene. De er rundt 40 % dyrere enn Ni-Cd, så hvis du har et budsjett, bør du kanskje se andre steder. I tillegg er de utsatt for aldring, noe som betyr at de kan miste kapasitet og mislykkes etter noen år. Er det ingen som har tid til det! Så hvis du skal investere i Li-ion, sørg for at du gjør research og får best mulig valuta for pengene.

konklusjonen

Som konklusjon er Li-ion-batterier en revolusjonerende teknologi som driver våre daglige enheter, fra mobiltelefoner til elektriske kjøretøy. Med riktig kunnskap kan disse batteriene brukes trygt og effektivt, så ikke vær redd for å ta skrittet fullt ut og utforske verden av Li-ion-batterier!

Hei, jeg er Kim, en mamma og en stop-motion-entusiast med bakgrunn innen medieskaping og nettutvikling. Jeg har en enorm lidenskap for tegning og animasjon, og nå dykker jeg med hodet først inn i stop-motion-verdenen. Med bloggen min deler jeg det jeg har lært med dere.