Lithium - ion batteri (Li-ion) er en type elektrisk batteri , der er meget udbredt i moderne forbrugerelektronik og finder sin anvendelse som strømkilde i elektriske køretøjer og energilagringsenheder i strømsystemer. Det er den mest populære batteritype i enheder som mobiltelefoner , bærbare computere , digitale kameraer , videokameraer og elektriske køretøjer . I 2019 modtog Whittingham, Goodenough og Yoshino Nobelprisen i kemi for deres udvikling af lithium-ion-batterier.
For første gang blev den fundamentale mulighed for at skabe lithiumbatterier baseret på titandisulfid eller molybdændisulfids evne til at inkludere lithiumioner under batteriafladning og udvinde dem under opladning vist i 1970 af Michael Stanley Whittingham . En væsentlig ulempe ved sådanne batterier var lavspændingen - 2,3 V og høj brandfare på grund af dannelsen af lithiummetaldendritter, der lukker elektroderne.
Senere syntetiserede J. Goodenough andre materialer til katoden af et lithiumbatteri - lithium cobaltite Li x CoO 2 (1980), lithium ferrophosphate LiFePO 4 (1996). Fordelen ved sådanne batterier er en højere spænding - omkring 4 V.
Den moderne version af lithium-ion-batteriet med en grafitanode og lithiumkoboltitkatode blev opfundet i 1991 af Akira Yoshino . Det første lithium-ion-batteri ifølge hans patent blev frigivet af Sony Corporation i 1991 .
I øjeblikket er der forskning i gang for at finde materialer baseret på silicium og fosfor, der giver en øget kapacitet til interkalation af lithiumioner og til at erstatte lithiumioner med natriumioner .
Andre undersøgelser reducerer effekten af aldring og øger levetiden. For eksempel vil brugen af bis-imino-acenaphthenequinon-paraphenylen (Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene, BP) spare 95 procent af batterikapaciteten selv efter 1700 opladningscyklusser. [1] [2]
Whittingham, Goodenough og Yoshino modtog Nobelprisen i kemi i 2019 med formuleringen "til udvikling af lithium-ion-batterier".
Afhængigt af den kemiske sammensætning og enhed er lithium-ion-batterier opdelt i typer, der adskiller sig meget i forbrugerkvaliteter.
Denne sort har den højeste kapacitet, men er krævende for arbejdsforhold og har en meget begrænset ressource. Driftsspændingsområdet er fra 3 til 4,2 V. Det højeste specifikke energiforbrug er op til 250 Wh / kg, spidsafladningsstrømmen er ikke mere end to kapaciteter (det vil sige, et 2 Ah batteri har en tilladt strøm på 4 A) , langsigtet afladningsstrøm er ikke mere end én beholder.
Langtidsopbevaringstemperatur for batteri -5°C ved 40-50% opladning. Lithium-kobolt-batterier er eksplosive og kan antændes, hvis de bliver overophedede eller dybt afladede. Af disse grunde er de normalt udstyret med en beskyttelsestavle og er mærket beskyttet. Afladningsspænding - ikke lavere end 3 V. Eksplosiv, hvis kabinettet er beskadiget, ældes hurtigt (gennemsnitlig levetid - 3-5 år, i "charge-discharge" cyklusser - ikke mere end 500). Højstrømsopladning er uønsket. Ekstremt giftig ved antænding.
Mere holdbar og sikker end kobolt, højstrømsopladning er acceptabel. Driftsspændingsområde - fra 2,5 til 4,2 V. Specifikt energiforbrug - 140-150 Wh / kg. Ressource - omkring 5-6 år - op til 1000 opladnings-afladningscyklusser. Høj strøm under belastning - op til 5 kapaciteter. Afladningsgrænsen er 2,5 V, dog er en reduktion i ressource mulig. INR-batterier har sjældent et beskyttelseskort, men ladekredsløbet er altid spændingsbegrænset. Ubrugelig under -10 °C. Sikker nok til at bruge, må ikke eksplodere eller antændes. De har lav selvafladning.
Den seneste generation med den største ressource. Driftsspændingsområdet er fra 2 til 3,65 V, den nominelle spænding er 3,2 V. Det specifikke energiforbrug er cirka 150 Wh/kg. Ressource - 10-20 år, cirka 1500-3000 opladnings-afladningscyklusser (op til 8000 under milde forhold). Høj belastningsstrøm (op til 10 kapaciteter) og stabil afladningsspænding er ideelle til elektriske køretøjer, rovere, cykler og lignende applikationer. En udladning nær den nedre spændingsgrænse (2 V) kan reducere ressourcen. Højstrømsopladning med sikkerhed er tilladt. Under de mest alvorlige driftsforhold udsender de ikke gas, eksploderer eller antændes ikke.
Højeste holdbarhed og bredt driftstemperaturområde. Driftsspændingsområde og fra 1,6 til 2,7 V, nominel spænding - 2,3 V. Specifikt energiforbrug - cirka 100 Wh / kg. Ressource - mere end 15.000 opladnings-afladningscyklusser. Temperaturområde og fra -30 °C til +60 °C. Den har en meget lav modstand, der tillader brugen af ultrahurtig opladning, og en lav selvafladning, cirka 0,02 % pr. dag.
De vigtigste indikatorer for elementer, afhængigt af den kemiske sammensætning, er inden for følgende grænser:
Næsten altid er der indbygget en controller (eller PCM-board ( English Protection Circuit Module )) i batterikassen, som styrer opladningen og beskytter batteriet mod overopladningsspænding, overafladning og overtemperatur, hvilket fører til for tidlig nedbrydning eller ødelæggelse . Denne controller kan også begrænse strømforbruget, beskytte mod kortslutninger . Du skal dog huske på, at ikke alle batterier er beskyttede. Producenter må ikke installere det for at reducere omkostninger, vægt, og i enheder, der har en indbygget beskyttelsescontroller, bruger batterier (for eksempel bærbare computere) batterier uden et indbygget beskyttelseskort [7] .
Lithium-batterier har særlige krav, når der forbindes flere celler i serie . Opladerne til sådanne flercellede batterier eller selve batterierne er forsynet med et cellebalanceringskredsløb. Pointen med at balancere er, at cellernes elektriske egenskaber kan afvige lidt, og nogle celler vil nå fuld opladning/afladning før andre. Samtidig er det nødvendigt at stoppe med at oplade denne celle, mens du fortsætter med at oplade resten, da overafladning eller overopladning af lithium-ion-batterier deaktiverer dem. Denne funktion udføres af en speciel node - en balancer (eller BMS-board ( engelsk Battery Management System ) [8] ). Den shunter den ladede celle, så ladestrømmen går forbi den. Balancere udfører samtidigt både funktionen som et beskyttelseskort i forhold til hvert af batterierne og batteriet som helhed [9] [10] .
Opladere kan understøtte en endelig ladespænding i området 4,15-4,25 V.
Der er lithium-ion- og lithium-polymer-batterier af AA- og AAA-størrelser med en spænding på 1,5 V. De har ikke kun et beskyttelseskredsløb, men også en indbygget elektronisk spændingsomformer ( eng. DC-DC-konverter ). Forskellen mellem sådanne batterier er en stabiliseret spænding ved kontakterne på 1,5 V, uanset battericellens driftsspænding og dens øjeblikkelige nulstilling, når lithiumcellen er afladet til den nedre tilladte grænse, og overafladningsbeskyttelsen udløses. Disse batterier kan forveksles med de tilsvarende størrelse 14500 og 10440 3,7 V batterier samt ikke-genopladelige engangs lithium batterier . Alle er markeret forskelligt.
Et lithium-ion batteri består af elektroder (katodemateriale på aluminiumsfolie og anodemateriale på kobberfolie) adskilt af en porøs separator imprægneret med elektrolyt. Pakken med elektroder anbringes i et forseglet hus, katoderne og anoderne er forbundet til strømaftagerens terminaler. Kroppen er nogle gange udstyret med en sikkerhedsventil, der aflaster det indre tryk i nødstilfælde eller overtrædelser af driftsbetingelser. Lithium-ion-batterier er forskellige i den type katodemateriale, der anvendes. Ladningsbæreren i et lithium-ion-batteri er en positivt ladet lithium-ion, som har evnen til at interkalere (interkalere) ind i krystalgitteret af andre materialer (for eksempel til grafit, oxider og metalsalte) med dannelse af et kemikalie binder fx: til grafit med dannelse af LiC 6 , oxider (LiMnO 2 ) og salte (LiMn R O N ) af metaller.
Oprindeligt blev lithiummetal brugt som negative plader , derefter kulkoks . Senere begyndte man at bruge grafit . Brugen af koboltoxider gør det muligt for batterier at fungere ved meget lavere temperaturer, hvilket øger antallet af afladnings-/opladningscyklusser for et batteri. Udbredelsen af lithium-jern-phosphat-batterier skyldes deres relativt lave omkostninger. Lithium-ion-batterier bruges i et sæt med et overvågnings- og kontrolsystem - SKU eller BMS (battery management system) - og en speciel op-/afladningsenhed.
Der er i øjeblikket tre klasser af katodematerialer, der anvendes til masseproduktion af lithium-ion-batterier:
Elektrokemiske kredsløb af lithium-ion-batterier:
På grund af lav selvafladning og et stort antal opladnings-/afladningscyklusser er Li-ion-batterier mest foretrukne til brug i alternativ energi. Samtidig er de udover I&C-systemet udstyret med invertere (spændingsomformere).
Almindelig brugte lithium-ion-batterier er ofte ekstremt brandfarlige, når de er overopladede, forkert opladede eller mekanisk beskadigede.
Den første generation af Li-ion-batterier var udsat for en eksplosiv effekt. Dette blev forklaret ved, at de brugte en anode lavet af metallisk lithium, hvorpå der under flere opladnings-/afladningscyklusser opstod rumlige formationer ( dendritter ), hvilket førte til kortslutning af elektroderne og som følge heraf brand eller eksplosion . Denne mangel blev endelig elimineret ved at erstatte anodematerialet med grafit. Lignende processer forekom også på katoderne af lithium-ion-batterier baseret på koboltoxid, når driftsbetingelserne blev overtrådt (genopladet). Lithium-ferro-phosphat-batterier er fuldstændig blottet for disse mangler.
Lithium-batterier viser lejlighedsvis en tendens til eksplosiv selvantændelse. [18] [19] [20] Intensiteten af at brænde selv fra miniature batterier er sådan, at det kan føre til alvorlige konsekvenser. [21] Luftfartsselskaber og internationale organisationer træffer foranstaltninger for at begrænse transporten af lithiumbatterier og enheder med dem på lufttransport. [22] [23]
Spontan forbrænding af et lithiumbatteri er meget vanskelig at slukke med traditionelle midler. I processen med termisk acceleration af et defekt eller beskadiget batteri sker der ikke kun frigivelse af lagret elektrisk energi, men også en række kemiske reaktioner, der frigiver stoffer til at understøtte forbrændingen, brændbare gasser fra elektrolytten [24] , og også i tilfældet med ikke-LiFePO4-elektroder [25] , oxygen. Derfor er et blusset batteri i stand til at brænde uden adgang til luft, og midler til isolering fra atmosfærisk ilt er uegnede til at slukke det. Desuden reagerer metallisk lithium aktivt med vand for at danne brændbar brintgas, derfor er slukning af lithiumbatterier med vand kun effektiv for de typer batterier, hvor massen af lithiumelektroden er lille. Generelt er det ineffektivt at slukke en lithiumbatteribrand. Formålet med slukning kan kun være at reducere temperaturen på batteriet og forhindre spredning af flammer [26] [27] [28] .
Traditionelt mente man, at i modsætning til Ni-Cd- og Ni-MH- batterier er Li-Ion-batterier helt fri for hukommelseseffekten . Ifølge resultaterne af forskning udført af forskere fra Paul Scherer Institute (Schweiz) i 2013 blev denne effekt alligevel opdaget, men den viste sig at være ubetydelig. [29]
Årsagen til dette er, at grundlaget for batteridrift er processerne for frigivelse og genfangning af lithiumioner, hvis dynamik forringes i tilfælde af ufuldstændig opladning. [30] Under opladning forlader lithiumioner én efter én partiklerne af lithiumferrophosphat, hvis størrelse er titusinder af mikrometer. Katodematerialet begynder at adskilles i partikler med forskelligt lithiumindhold. Batteriet oplades på baggrund af en stigning i det elektrokemiske potentiale. På et tidspunkt når det sin grænse. Dette fører til en accelereret frigivelse af de resterende lithiumioner fra katodematerialet, men de ændrer ikke længere batteriets samlede spænding. Hvis batteriet ikke er fuldt opladet, vil et vist antal partikler tæt på grænsetilstanden forblive på katoden. De nåede næsten lithium-ion-frigivelsesbarrieren, men havde ikke tid til at overvinde den. Under udledning har frie lithiumioner en tendens til at vende tilbage til deres plads og rekombinere med ferrophosphationer. De stødes dog også på katodeoverfladen af partikler i grænsetilstanden, som allerede indeholder lithium. Genfangsten bliver vanskeligere, og elektrodens mikrostruktur forstyrres.
I øjeblikket overvejes to måder at løse problemet på: ændringer i batteristyringssystemets algoritmer og udvikling af katoder med et øget overfladeareal.
Dyb afladning ødelægger lithium-ion-batteriet fuldstændigt. Batteriets livscyklus er også påvirket af dybden af dets afladning før næste opladning og opladning med strømstyrker, der er højere end angivet af producenten. På grund af batteriets lave indre modstand er ladestrømmen meget afhængig af spændingen ved dets terminaler under opladning. Ladestrømmen afhænger af spændingsforskellen mellem batteriet og opladeren og af modstanden af både selve batteriet og ledningerne forbundet til det. En stigning i ladespændingen med 4% kan føre til en stigning i ladestrømmen med en faktor på 10, hvilket påvirker batteriet negativt, med utilstrækkelig varmefjernelse, det overophedes og nedbrydes. Som et resultat, hvis batterispændingen kun overskrides med 4 %, vil den miste kapacitet dobbelt så hurtigt fra cyklus til cyklus [31] .
Lithium-batterier ældes, selvom de ikke bruges. Derfor giver det ingen mening at købe et batteri "i reserve" eller at blive for revet med ved at "gemme" dets ressource.
De optimale opbevaringsforhold for Li-ion-batterier opnås med en opladning på 40 % af batterikapaciteten og en temperatur på 0 ... 10 °C [32] .
| Temperatur, ⁰C | Med 40% gebyr, % om året | Med 100 % opladning, % om året |
|---|---|---|
| 0 | 2 | 6 |
| 25 | fire | tyve |
| 40 | femten | 35 |
| 60 | 25 | 60 (40 % på tre måneder ) |
Som med andre typer batterier, resulterer afladning ved lave temperaturer i en reduktion i energiproduktionen, især ved temperaturer under 0 ⁰C. Et fald i tilførslen af udgangsenergi, når temperaturen falder fra +20 ⁰C til +4 ⁰C, fører således til et fald i udgangsenergien med ~5-7 %, et yderligere fald i afgangstemperaturen under 0 ⁰C fører til en tab af udgangsenergi med titusindvis af procent. Afladning af batteriet ved en temperatur, der ikke er lavere end angivet af batteriproducenten, fører ikke til deres nedbrydning (for tidlig udtømning af ressourcen). Som med andre typer batterier er en løsning på problemet batterier med intern opvarmning [33] .
