Li-ion-batterier

av kim Uppdaterad: Juli 9, 2022

Li-ion-batterier är uppladdningsbara batterier som innehåller litiumjoner. De används i allt från mobiltelefoner till bilar. Men hur fungerar de?

Li-ion-batterier använder en interkaleringsprocess för att lagra energi. Denna process innebär att litiumjoner rör sig mellan katoden och anoden inuti batteriet. När laddning, jonerna rör sig från anoden till katoden, och när de urladdas rör sig de i motsatt riktning.

Men det är bara en kort översikt. Låt oss titta på allt mer i detalj.

Vad är ett litiumjonbatteri?

Litiumjonbatterier finns överallt nuförtiden! De driver våra telefoner, bärbara datorer, elfordon och mer. Men exakt vad är de? Låt oss ta en närmare titt!

Grunderna

Litiumjonbatterier består av en eller flera celler, ett skyddande kretskort och några andra komponenter:

• Elektroder: De positivt och negativt laddade ändarna av en cell. Kopplad till nuvarande samlare.
• Anod: Den negativa elektroden.
• Elektrolyt: En vätska eller gel som leder elektricitet.
• Strömavtagare: Ledande folier vid varje elektrod på batteriet som är anslutna till cellens terminaler. Dessa terminaler överför den elektriska strömmen mellan batteriet, enheten och energikällan som driver batteriet.
• Separator: En porös polymerfilm som separerar elektroderna samtidigt som den möjliggör utbyte av litiumjoner från den ena sidan till den andra.

Hur det fungerar

När du använder en enhet som drivs av ett litiumjonbatteri rör sig litiumjoner runt inuti batteriet mellan anoden och katoden. Samtidigt rör sig elektroner runt i den externa kretsen. Denna rörelse av joner och elektroner är det som skapar den elektriska strömmen som driver din enhet.

När batteriet laddas ur släpper anoden litiumjoner till katoden, vilket genererar ett flöde av elektroner som hjälper till att driva din enhet. När batteriet laddas händer det motsatta: litiumjoner frigörs av katoden och tas emot av anoden.

Var kan du hitta dem?

Litiumjonbatterier finns överallt nuförtiden! Du kan hitta dem i telefoner, bärbara datorer, elfordon och mer. Så nästa gång du använder en av dina favoritenheter, kom bara ihåg att den drivs av ett litiumjonbatteri!

Litiumjonbatteriets fascinerande historia

NASA:s tidiga försök

Redan på 60-talet försökte NASA göra ett uppladdningsbart litiumjonbatteri. De utvecklade ett CuF2/Li-batteri, men det fungerade inte riktigt.

M. Stanley Whittinghams genombrott

1974 fick den brittiske kemisten M. Stanley Whittingham ett genombrott när han använde titandisulfid (TiS2) som katodmaterial. Denna hade en skiktad struktur som kunde ta in litiumjoner utan att ändra dess kristallstruktur. Exxon försökte kommersialisera batteriet, men det var för dyrt och komplicerat. Dessutom var det benäget att fatta eld på grund av närvaron av metalliskt litium i cellerna.

Godshall, Mizushima och Goodenough

År 1980, Ned A. Godshall et al. och Koichi Mizushima och John B. Goodenough ersatte TiS2 med litiumkoboltoxid (LiCoO2 eller LCO). Denna hade en liknande skiktad struktur, men med en högre spänning och mer stabilitet i luften.

Rachid Yazamis uppfinning

Samma år demonstrerade Rachid Yazami den reversibla elektrokemiska interkaleringen av litium i grafit och uppfann litiumgrafitelektroden (anoden).

Problemet med brandfarlighet

Problemet med brandfarlighet kvarstod, så litiummetallanoder övergavs. Den slutliga lösningen var att använda en interkalationsanod, liknande den som används för katoden, som förhindrade bildandet av litiummetall under batteriladdning.

Yoshinos design

1987 patenterade Akira Yoshino vad som skulle bli det första kommersiella Li-ion-batteriet med en anod av "mjukt kol" (ett kolliknande material) tillsammans med Goodenoughs LCO-katod och en karbonatesterbaserad elektrolyt.

Sonys kommersialisering

1991 började Sony producera och sälja världens första uppladdningsbara litiumjonbatterier med hjälp av Yoshinos design.

Nobelpriset

2012 fick John B. Goodenough, Rachid Yazami och Akira Yoshino 2012 IEEE-medaljen för miljö- och säkerhetsteknik för att utveckla litiumjonbatteriet. Sedan, 2019, tilldelades Goodenough, Whittingham och Yoshino Nobelpriset i kemi för samma sak.

Den globala produktionskapaciteten

År 2010 var den globala produktionskapaciteten för Li-ion-batterier 20 gigawattimmar. År 2016 hade den vuxit till 28 GWh, med 16.4 GWh i Kina. År 2020 var den globala produktionskapaciteten 767 GWh, där Kina stod för 75 %. År 2021 beräknas det vara mellan 200 och 600 GWh, och prognoserna för 2023 sträcker sig från 400 till 1,100 XNUMX GWh.

Vetenskapen bakom 18650 litiumjonceller

Vad är en 18650-cell?

Om du någonsin har hört talas om ett batteri för bärbar dator eller ett elfordon, är chansen stor att du har hört talas om en 18650-cell. Denna typ av litiumjonceller är cylindriska till formen och används i en mängd olika applikationer.

Vad finns inuti en 18650-cell?

En 18650-cell består av flera komponenter, som alla samverkar för att driva din enhet:

• Den negativa elektroden är vanligtvis gjord av grafit, en form av kol.
• Den positiva elektroden är vanligtvis gjord av en metalloxid.
• Elektrolyten är ett litiumsalt i ett organiskt lösningsmedel.
• En separator förhindrar anoden och katoden från att kortslutas.
• En strömavtagare är en metallbit som separerar den externa elektroniken från anoden och katoden.

Vad gör en 18650-cell?

En 18650-cell är ansvarig för att driva din enhet. Den gör detta genom att skapa en kemisk reaktion mellan anoden och katoden, som producerar elektroner som strömmar genom den externa kretsen. Elektrolyten hjälper till att underlätta denna reaktion, medan strömavtagaren ser till att elektronerna inte kortsluter.

Framtiden för 18650 celler

Efterfrågan på batterier ökar ständigt, så forskare letar ständigt efter sätt att förbättra energitätheten, driftstemperaturen, säkerheten, hållbarheten, laddningstiden och kostnaden för 18650 celler. Detta inkluderar att experimentera med nya material, som grafen, och att utforska alternativa elektrodstrukturer.

Så nästa gång du använder din bärbara dator eller elfordon, ta en stund att uppskatta vetenskapen bakom 18650-cellen!

Typer av litiumjonceller

Liten cylindrisk

Dessa är den vanligaste typen av litiumjonceller, och de finns i de flesta elcyklar och elfordonsbatterier. De finns i en mängd olika standardstorlekar och har en solid kropp utan några terminaler.

Stor cylindrisk

Dessa litiumjonceller är större än de små cylindriska, och de har stora gängade terminaler.

Platt eller påse

Det här är de mjuka, platta cellerna som du hittar i mobiltelefoner och nyare bärbara datorer. De är också kända som litiumjonpolymerbatterier.

Styvt plastfodral

Dessa celler kommer med stora gängade terminaler och används vanligtvis i dragkraftspaket för elfordon.

Gelérulle

Cylindriska celler är gjorda på ett karakteristiskt "swiss roll"-sätt, som också är känt som en "jelly roll" i USA. Detta betyder att det är en enda lång "smörgås" av den positiva elektroden, separatorn, negativa elektroden och separatorn rullade till en enda spole. Gelérullar har fördelen att de produceras snabbare än celler med staplade elektroder.

Påsceller

Påsceller har den högsta gravimetriska energitätheten, men de behöver ett externt inneslutningsmedel för att förhindra expansion när deras laddningstillståndsnivå (SOC) är hög.

Flödesbatterier

Flödesbatterier är en relativt ny typ av litiumjonbatterier som suspenderar katoden eller anodmaterialet i en vattenhaltig eller organisk lösning.

Den minsta Li-ion-cellen

2014 skapade Panasonic den minsta Li-ion-cellen. Den är stiftformad och har en diameter på 3.5 mm och en vikt på 0.6 g. Det liknar vanliga litiumbatterier och betecknas vanligtvis med ett "LiR"-prefix.

Batteripaket

Batteripaket består av flera anslutna litiumjonceller och används för att driva större enheter, till exempel elbilar. De innehåller temperatursensorer, spänningsregulatorkretsar, spänningsuttag och laddningstillståndsmonitorer för att minimera säkerhetsrisker.

Vad används litiumjonbatterier till?

Hemelektronik

Litiumjonbatterier är den bästa strömkällan för alla dina favoritprylar. Från din pålitliga mobiltelefon till din bärbara dator, digitalt rum, och elektriska cigaretter, dessa batterier håller din teknik igång.

Elverktyg

Om du är en gör-det-själv-ägare vet du att litiumjonbatterier är rätt väg att gå. Sladdlösa borrar, slipmaskiner, sågar och till och med trädgårdsutrustning som klippklippare och häcksaxar är beroende av dessa batterier.

Elektriska fordon

Elbilar, hybridfordon, elektriska motorcyklar och skotrar, elcyklar, persontransporter och avancerade elektriska rullstolar använder alla litiumjonbatterier för att ta sig runt. Och låt oss inte glömma radiostyrda modeller, modellflygplan och till och med Mars Curiosity-rover!

Telekommunikationer

Litiumjonbatterier används också som reservkraft i telekommunikationstillämpningar. Dessutom diskuteras de som ett potentiellt alternativ för energilagring i nätet, även om de inte är helt kostnadskonkurrenskraftiga ännu.

Vad du behöver veta om litiumjonbatteriprestanda

Energi densitet

När det gäller litiumjonbatterier, ser du på en allvarlig energitäthet! Vi pratar 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) och 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). Det är tillräckligt med kraft för att lysa upp en liten stad!

Spänning

Litiumjonbatterier har högre öppen kretsspänning än andra typer av batterier, som bly-syra, nickel-metallhydrid och nickel-kadmium.

Internt motstånd

Det inre motståndet ökar med både cykling och ålder, men detta beror på spänningen och temperaturen batterierna förvaras vid. Detta innebär att spänningen vid terminalerna sjunker under belastning, vilket minskar det maximala strömdraget.

Laddningstid

De dagar då litiumjonbatterier tog två timmar eller mer att ladda är förbi. Nuförtiden kan du få en full laddning på 45 minuter eller mindre! Under 2015 visade forskare till och med ett batteri med en kapacitet på 600 mAh laddat till 68 procent kapacitet på två minuter och ett 3,000 48 mAh batteri laddat till XNUMX procent kapacitet på fem minuter.

Kostnadsminskning

Litiumjonbatterier har kommit långt sedan 1991. Priserna har sjunkit med 97 % och energitätheten har mer än tredubblats. Olika stora celler med samma kemi kan också ha olika energitätheter, så att du kan få mer valuta för pengarna.

Vad är grejen med litiumjonbatteriets livslängd?

Grunderna

När det gäller litiumjonbatterier mäts livslängden vanligtvis i termer av antalet fulla laddnings-urladdningscykler det tar för att nå en viss tröskel. Denna tröskel definieras vanligtvis som en kapacitetsförlust eller en impedanshöjning. Tillverkare använder vanligtvis termen "cykellivslängd" för att beskriva livslängden för ett batteri i termer av antalet cykler det tar att nå 80 % av dess nominella kapacitet.

Att förvara litiumjonbatterier i laddat tillstånd minskar också deras kapacitet och ökar cellresistansen. Detta beror främst på den kontinuerliga tillväxten av den fasta elektrolytgränsytan på anoden. Hela livscykeln för ett batteri, inklusive både cykeln och inaktiva lagringsoperationer, kallas kalenderlivslängden.

Faktorer som påverkar batteriets livslängd

Ett batteris cykellivslängd påverkas av flera faktorer, såsom:

• Temperatur
• urladdningsström
• Laddningsström
• Laddningsintervall (urladdningsdjup)

I verkliga applikationer, som smartphones, bärbara datorer och elbilar, är batterier inte alltid helt laddade och urladdade. Det är därför det kan vara missvisande att definiera batterilivslängden i termer av fulla urladdningscykler. För att undvika denna förvirring använder forskare ibland kumulativ urladdning, vilket är den totala mängden laddning (Ah) som levereras av batteriet under hela dess livslängd eller motsvarande hela cykler.

Batteriförsämring

Batterier bryts ned gradvis under sin livslängd, vilket leder till minskad kapacitet och i vissa fall lägre driftscellspänning. Detta beror på en mängd olika kemiska och mekaniska förändringar av elektroderna. Nedbrytningen är starkt temperaturberoende, och höga laddningsnivåer påskyndar också kapacitetsförlusten.

Några av de vanligaste nedbrytningsprocesserna inkluderar:

• Reduktion av den organiska karbonatelektrolyten vid anoden, vilket resulterar i tillväxten av Solid Electrolyte Interface (SEI). Detta orsakar en ökning av ohmsk impedans och en minskning av cyklerbar Ah-laddning.

• Litiummetallplätering, vilket också leder till förlust av litiumlager (cyklerbar Ah-laddning) och intern kortslutning.

• Förlust av de (negativa eller positiva) elektroaktiva materialen på grund av upplösning, sprickbildning, exfoliering, lossning eller till och med regelbunden volymförändring under cykling. Detta visar sig när både laddning och effekt bleknar (ökat motstånd).

• Korrosion/upplösning av den negativa kopparströmkollektorn vid låga cellspänningar.

• Nedbrytning av PVDF-bindemedlet, vilket kan orsaka att de elektroaktiva materialen lossnar.

Så om du letar efter ett batteri som håller, se till att hålla ett öga på alla faktorer som kan påverka dess livslängd!

Farorna med litiumjonbatterier

Vad är litiumjonbatterier?

Litiumjonbatterier är kraftpaketen i vår moderna värld. De finns i allt från smartphones till elbilar. Men, som alla kraftfulla saker, kommer de med några risker.

Vilka är riskerna?

Litiumjonbatterier innehåller en brandfarlig elektrolyt och kan bli trycksatta om de skadas. Det betyder att om ett batteri laddas för snabbt kan det orsaka kortslutning och leda till explosioner och bränder.

Här är några av sätten litiumjonbatterier kan bli farliga på:

• Termisk missbruk: Dålig kylning eller extern brand
• Elektrisk missbruk: Överladdning eller extern kortslutning
• Mekanisk missbruk: Penetration eller krasch
• Intern kortslutning: Tillverkningsbrister eller åldrande

Vad kan göras?

Teststandarder för litiumjonbatterier är strängare än för syraelektrolytbatterier. Fraktbegränsningar har också införts av säkerhetstillsynsmyndigheter.

I vissa fall har företag varit tvungna att återkalla produkter på grund av batterirelaterade problem, som återkallelsen av Samsung Galaxy Note 7 2016.

Forskningsprojekt pågår för att utveckla icke brandfarliga elektrolyter för att minska brandrisker.

Om litiumjonbatterier skadas, krossas eller utsätts för en högre elektrisk belastning utan överladdningsskydd kan problem uppstå. Kortslutning av ett batteri kan göra att det överhettas och eventuellt fatta eld.

The Bottom Line

Litiumjonbatterier är kraftfulla och har revolutionerat vår värld, men de kommer med vissa risker. Det är viktigt att vara medveten om dessa risker och vidta åtgärder för att minska dem.

Miljöpåverkan av litiumjonbatterier

Vad är litiumjonbatterier?

Litiumjonbatterier är strömkällan för många av våra dagliga enheter, från telefoner och bärbara datorer till elbilar. De består av litium, nickel och kobolt och är kända för sin höga energitäthet och långa livslängd.

Vilka är miljöpåverkan?

Tillverkningen av litiumjonbatterier kan ha en allvarlig miljöpåverkan, inklusive:

• Utvinning av litium, nickel och kobolt kan vara farligt för vattenlevande organismer, vilket leder till vattenföroreningar och andningsproblem.
• Biprodukter från gruvdrift kan orsaka ekosystemförstöring och landskapsskador.
• Ohållbar vattenförbrukning i torra områden.
• Massiv biproduktgenerering av litiumextraktion.
• Global uppvärmningspotential för tillverkning av litiumjonbatterier.

Vad kan vi göra?

Vi kan hjälpa till att minska miljöpåverkan från litiumjonbatterier genom att:

• Återvinning av litiumjonbatterier för att minska produktionens koldioxidavtryck.
• Återanvända batterier istället för att återvinna dem.
• Förvara använda batterier säkert för att minska riskerna.
• Använda pyrometallurgiska och hydrometallurgiska metoder för att separera komponenterna i batteriet.
• Raffinering av slagg från återvinningsprocessen för användning i cementindustrin.

Litiumutvinningens inverkan på mänskliga rättigheter

Faror för lokalbefolkningen

Att utvinna råmaterial för litiumjonbatterier kan vara farligt för lokalbefolkningen, särskilt ursprungsbefolkningen. Kobolt från Demokratiska republiken Kongo bryts ofta med få säkerhetsåtgärder, vilket leder till skador och dödsfall. Föroreningar från dessa gruvor har utsatt människor för giftiga kemikalier som kan orsaka fosterskador och andningssvårigheter. Det har också rapporterats att barnarbete används i dessa gruvor.

Brist på fritt förhands- och informerat samtycke

En studie i Argentina fann att staten kanske inte har skyddat ursprungsbefolkningens rätt till fritt förhands- och informerat samtycke, och att utvinningsföretag kontrollerade samhällets tillgång till information och satte villkoren för diskussion om projekten och fördelningsdelning.

Protester och rättegångar

Utvecklingen av litiumgruvan Thacker Pass i Nevada har mötts av protester och stämningar från flera inhemska stammar som säger att de inte fått fritt förhands och informerat samtycke och att projektet hotar kulturella och heliga platser. Människor har också uttryckt oro för att projektet kommer att skapa risker för ursprungskvinnor. Demonstranter har ockuperat platsen sedan januari 2021.

Litiumutvinningens inverkan på mänskliga rättigheter

Faror för lokalbefolkningen

Att extrahera råmaterial för litiumjonbatterier kan vara ett riktigt jobbigt för lokalbefolkningen, särskilt ursprungsbefolkningen. Kobolt från Demokratiska republiken Kongo bryts ofta med få säkerhetsåtgärder, vilket leder till skador och dödsfall. Föroreningar från dessa gruvor har utsatt människor för giftiga kemikalier som kan orsaka fosterskador och andningssvårigheter. Det har också rapporterats att barnarbete används i dessa gruvor. Hoppsan!

Brist på fritt förhands- och informerat samtycke

En studie i Argentina fann att staten kanske inte har gett ursprungsbefolkningar rätten till fritt förhands- och informerat samtycke, och att utvinningsföretag kontrollerade samhällets tillgång till information och satte villkoren för diskussion av projekten och fördelningsdelning. Inte coolt.

Protester och rättegångar

Utvecklingen av litiumgruvan Thacker Pass i Nevada har mötts av protester och stämningar från flera inhemska stammar som säger att de inte fått fritt förhands och informerat samtycke och att projektet hotar kulturella och heliga platser. Människor har också uttryckt oro för att projektet kommer att skapa risker för ursprungskvinnor. Demonstranter har ockuperat platsen sedan januari 2021, och det ser inte ut som att de planerar att lämna när som helst snart.

Skillnader

Li-Ion batterier vs Lipo

När det kommer till Li-ion vs LiPo-batterier är det en kamp mellan titanerna. Li-ion-batterier är otroligt effektiva och packar massor av energi i en liten förpackning. Men de kan vara instabila och farliga om barriären mellan de positiva och negativa elektroderna bryts. Å andra sidan är LiPo-batterier mycket säkrare, eftersom de inte lider av samma risk för förbränning. De lider inte heller av den "minneseffekt" som Li-ion-batterier gör, vilket innebär att de kan laddas fler gånger utan att förlora sin kapacitet. Dessutom har de längre livslängd än Li-ion-batterier, så du behöver inte oroa dig för att byta ut dem lika ofta. Så om du letar efter ett batteri som är säkert, pålitligt och hållbart, är LiPo rätt väg att gå!

Li-Ion batterier kontra blysyra

Blybatterier är billigare än litiumjonbatterier, men de presterar inte lika bra. Blybatterier kan ta upp till 10 timmar att ladda, medan litiumjonbatterier kan laddas på så lite som några minuter. Det beror på att litiumjonbatterier kan acceptera en snabbare strömhastighet och laddas snabbare än blybatterier. Så om du letar efter ett batteri som laddas snabbt och effektivt är litiumjon vägen att gå. Men om du har en budget är blysyra det billigare alternativet.

FAQ

Är Li-ion batteri detsamma som litium?

Nej, Li-ion-batterier och litiumbatterier är inte samma sak! Litiumbatterier är primära celler, vilket innebär att de inte är uppladdningsbara. Så när du väl använder dem är de klara. Å andra sidan är Li-ion-batterier sekundära celler, vilket innebär att de kan laddas och användas om och om igen. Dessutom är Li-ion-batterier dyrare och tar längre tid att tillverka än litiumbatterier. Så om du letar efter ett batteri som kan laddas är Li-ion rätt väg att gå. Men om du vill ha något som är billigare och håller längre är litium det bästa alternativet.

Behöver du en speciell laddare för litiumbatterier?

Nej, du behöver ingen speciell laddare för litiumbatterier! Med iTechworld litiumbatterier behöver du inte uppgradera hela ditt laddningssystem och spendera extra pengar. Allt du behöver är din befintliga blysyraladdare och du är igång. Våra litiumbatterier har ett speciellt Battery Management System (BMS) som säkerställer att ditt batteri laddas korrekt med din befintliga laddare.
Den enda laddaren vi inte rekommenderar att använda är en som är designad för kalciumbatterier. Det beror på att spänningsingången vanligtvis är högre än vad som rekommenderas för litiumdjupcykelbatterier. Men oroa dig inte, om du av misstag använder en kalciumladdare, kommer BMS att upptäcka högspänningen och gå in i säkert läge, vilket skyddar ditt batteri från skador. Så bryt inte banken genom att köpa en speciell laddare – använd bara din befintliga så är du redo!

Hur lång är livslängden för ett litiumjonbatteri?

Litiumjonbatterier är kraften bakom dina vardagliga prylar. Men hur länge håller de? Tja, det genomsnittliga litiumjonbatteriet bör hålla mellan 300 och 500 laddnings-/urladdningscykler. Det är som att ladda din telefon en gång om dagen i över ett år! Dessutom behöver du inte oroa dig för minnesproblem som du brukade göra. Håll bara batteriet toppat och svalt så är du igång. Så om du tar väl hand om det, bör ditt litiumjonbatteri hålla ett bra tag.

Vad är den största nackdelen med Li-ion batteri?

Den stora nackdelen med Li-ion-batterier är deras kostnad. De är cirka 40 % dyrare än Ni-Cd, så om du har en budget, kanske du vill leta någon annanstans. Dessutom är de benägna att åldras, vilket innebär att de kan tappa kapacitet och misslyckas efter några år. Finns det ingen som har tid för det! Så om du ska investera i Li-ion, se till att du gör din research och får bästa möjliga valuta för pengarna.

Slutsats

Sammanfattningsvis är Li-ion-batterier en revolutionerande teknik som driver våra dagliga enheter, från mobiltelefoner till elfordon. Med rätt kunskap kan dessa batterier användas säkert och effektivt, så var inte rädd för att ta steget och utforska världen av Li-ion-batterier!

Hej, jag heter Kim, en mamma och en stop-motion-entusiast med bakgrund inom medieskapande och webbutveckling. Jag har en enorm passion för teckning och animation, och nu dyker jag med huvudet först in i stop-motion-världen. Med min blogg delar jag mina lärdomar med er.