Litium-ion-batteri

litium-ion-batteri
Nokia Li-ion-batteri for å drive en mobiltelefon .
Spesifikk energi	100–265 Wh / kg [ 1 ]​ [ 2 ] (0,36–0,95 MJ/kg)
energi tetthet	250–730 Wh / L [ 2 ] (0,90–2,23 MJ/L)
spesifikk kraft	~ 250-~ 340 W/kg [ 1 ]
Lading/utladningseffektivitet	80–90 % [ 3 ]
Energi / forbrukerpris	2,5 Wh / USD
Selvutladingshastighet (%/måned)	8 % ved 21 °C 15 % ved 40 °C 31 % ved 60 °C (per måned) [ 4 ]
Holdbarhet (sykluser)	400–1200 sykluser [ 5 ]
Nominell cellespenning	NMC 3,6 / 3,7 V , LiFePO4 3,2 V

Litiumionbatteriet , også kalt Li-Ion batteri , er en enhet med to eller tre energiceller designet for lagring av elektrisk energi som bruker et litiumsalt som elektrolytt som skaffer de nødvendige ionene til den reversible elektrokjemiske . katoden og anoden . _

Egenskapene til Li-ion- batterier , slik som komponentenes letthet, dens høye energikapasitet og motstand mot utladning, sammen med den lille minneeffekten de lider av [ 6 ] eller dens evne til å fungere med et stort antall regenereringssykluser, har gjort det mulig å designe lette akkumulatorer, av liten størrelse og varierte former, med høy ytelse, spesielt tilpasset bruksområdene til forbrukerelektronikkindustrien. [ 7 ] Siden den første kommersialiseringen av et batteri basert på Li-ion-teknologi på begynnelsen av 1990-tallet, har bruken blitt populær i enheter som mobiltelefoner , nettbrett , bærbare datamaskiner og trådløse høyttalere .

Imidlertid krever dens raske nedbrytning og følsomhet for høye temperaturer, som kan føre til ødeleggelse ved betennelse eller til og med eksplosjon,, i sin konfigurasjon som et forbrukerprodukt, inkludering av ekstra sikkerhetsanordninger, noe som resulterer i en høyere kostnad som har begrenset omfanget av bruken til andre applikasjoner.

På begynnelsen av det 21. århundre , i sammenheng med den økende knappheten på petroleumsavledet drivstoff , annonserte bilindustrien utvikling, spredning og kommersialisering av kjøretøyer med elektriske motorer basert på litium-ion batteriteknologi, med hvilke energiavhengige disse kilder kan reduseres samtidig som utslippet av forurensende gasser holdes lavt.

Historikk

Litiumbatterier ble først foreslått av MS Whittingham, for tiden ved Binghamton University . Whittingham brukte titan (II) sulfid og litiummetall som elektroder . [ referanse nødvendig ]

I 1985 satte Akira Yoshino sammen et prototypebatteri ved bruk av karbonholdig materiale der litiumioner kunne settes inn som en elektrode og litiumkoboltoksid (LiCoO 2 ) , som er stabilt i luft, som den andre. Bruk av ikke-litiummetallmaterialer økte sikkerheten dramatisk sammenlignet med batterier som bruker litiummetall. Bruken av litiumkoboltoksid gjorde det enkelt å oppnå produksjon i industriell skala.

Dette var fødselen til det nåværende Li-ion-batteriet.

For tiden består de store bankene av litiumbatterier hovedsakelig av to hovedkomponenter, på den ene siden, selve batteriene, og på den andre siden, BMS-modulen (batteristyringssystem). Sistnevnte har ansvaret for å kontrollere riktig ladning og utlading av cellene som utgjør batteriet, for å holde dem balansert, for å få banken til å operere i sitt sikre driftsområde, samt å måle ladekapasitet og temperatur, blant annet data ... I tillegg gir det banken muligheten til å kommunisere med eksterne komponenter, som strømomformeren og laderen. [ 8 ]

Moderne batterier og markedsføring

I 1989 viste Goodenough og Arumugam Manthiram fra University of Texas i Austin at katoder som inneholder polyanioner (f.eks . sulfater ), produserer høyere spenninger enn oksider på grunn av den induktive effekten av polyanion.

I 1991 ga Sony og Asahi Kasei ut det første kommersielle Li-ion-batteriet.

I 1996 identifiserte Goodenough, Akshaya Padhi og deres samarbeidspartnere litiumionfosfat (LiFePO 4 ) og andre fosfoliviner ( litiummetallfosfater med samme struktur som mineralet olivin ) som katodematerialer .

I 2002 viste Yet-Ming Chiang [ 11 ] og hans gruppe ved MIT en betydelig forbedring i ytelsen til Li-ion-batterier ved å øke ledningsevnen til materialet ved å dope med aluminium, niob og zirkonium .

I 2004 økte Chiang ytelsen igjen ved å bruke jernfosfatpartikler mindre enn 100 nanometer i diameter.

I 2011 utgjorde Li-ion-batterier 66 % av alle oppladbare batterier i Japan.

I 2015 presenterte selskapet Tesla Motors to energilagringssystemer som bruker litium -ion-batterier, Tesla Powerwall , hvis formål er å lagre elektrisk energi fra fornybare energier , for eksempel solcelle- eller vindinstallasjoner . [ 12 ]

Ulemper

Til tross for alle fordelene, er ikke denne teknologien det perfekte systemet for energilagring, siden den har flere feil, for eksempel:

• Middels varighet – Avhenger av hvor mye lading de lagrer, uavhengig av bruk. De har en brukstid på ca. 3 år eller mer hvis de lagres med 40 % av maksimal ladning (i virkeligheten forringes ethvert batteri, uavhengig av teknologi, hvis det lagres uten lading. Bare husk sulfateringsprosessen som skjedde i eldre sink-karbon-batterier når de oppbevares når de er helt utladet).
• De støtter et begrenset antall ladninger : mellom 300 og 1000, mindre enn et nikkel-kadmium-batteri og det samme som Ni-MH- batterier , og det er derfor de begynner å bli vurdert i kategorien forbruksvarer.
• De er dyre : Produksjonen deres er dyrere enn Ni-Cd og den samme som Ni-MH, selv om prisen for tiden faller raskt på grunn av dens store penetrasjon i markedet, med påfølgende senking av prisene. Vi kan si at de brukes i alle mobiltelefoner og bærbare datamaskiner i verden, og bruken av dem fortsetter å spre seg til alle slags bærbare verktøy med lav effekt.
• De kan overopphetes til det eksploderer : de er laget av brennbare materialer som gjør dem utsatt for detonasjoner eller branner, så det er nødvendig å utstyre dem med elektroniske kretser som kontrollerer temperaturen til enhver tid.
• Dårligere kaldarbeidskapasitet : de gir lavere ytelse enn Ni-Cd- eller Ni-MH-batterier ved lave temperaturer, og reduserer varigheten med opptil 25 %.
• Svært variabel spenning : på grunn av at variasjonen i cellespenningen er veldig stor, er det viktig å bruke en liten DC/DC-omformer avhengig av applikasjonen det gjelder hvis du ønsker å ha en konstant utgangsspenning.

Batteripleie

Disse batteriene har minst minneeffekt av alle andre teknologier, [ 13 ] derfor er det nødvendig at det etter et antall ufullstendige sykluser gjennomføres en fullstendig kalibrering av batteriet slik at minneeffekten forsvinner. For å forlenge levetiden trenger de viss pleie:

• Det er ikke sant at det er gunstig å la batteriet lades ut med jevne mellomrom. Tvert imot kan det svekke effektiviteten. Det er best å unngå å la belastningen falle under 15 %.
• Det anbefales at de forblir på et kjølig sted (15 ° C) og unngå varme. De er svært følsomme for temperatur; la dem ligge i solen og fuktighet reduserer ytelsen deres.
• Når de skal lagres over lengre tid, anbefales det å la dem stå med en mellomlading (40%). På samme måte bør det unngås å holde dem fulladet i lange perioder.
• Den første belastningen er ikke avgjørende når det gjelder varigheten, og det er heller ikke nødvendig å gjøre det; driften av et litiumionbatteri i den første ladningen er den samme som for følgende. Det er en myte som sannsynligvis er arvet fra nikkelbatterier.
• Det er nødvendig å lade dem med en spesifikk lader for denne teknologien. Bruk av en feil lader vil skade batteriet og kan føre til at det tar fyr.
• For å lade opp er det ikke nødvendig å bruke en spesifikk lader for enhetens merke og modell (til tross for at den er ideell, er den også dyr). Enhver lader av god kvalitet som oppfyller de elektriske egenskapene til enheten kan brukes.
• De fleste av dagens enheter har intelligent oppførsel. Med andre ord kan de oppdage når batteriene deres er fulladet for automatisk å koble dem fra og avlede strømmen til resten av enheten.
• Det finnes spesielle brannsikre poser hvor de kan oppbevares, siden disse batteriene er veldig ømfintlige. [ 14 ]

Fordeler

Denne teknologien har blitt posisjonert som den mest interessante av sitt slag for bruk i bærbare datamaskiner, mobiltelefoner og andre elektriske og elektroniske enheter. Mobiltelefoner , nettbrett og bærbare datamaskiner leveres med batterier basert på denne teknologien, takket være flere fordeler:

• En høy energitetthet: de akkumulerer mye større ladning per vekt- og volumenhet.
• Lav vekt: med samme mengde lagret ladning er de mindre tunge og opptar mindre volum enn Ni-MH-typen og mye mindre enn Ni-Cd og bly.
• Stor nedlastingskapasitet. Noen Li-ion-batterier – såkalt "Lipo" Lithium-ion Polymer (litiumion i polymer) – på markedet kan utlades helt på mindre enn to minutter.
• Høy spenning per celle: hvert batteri gir 3,7 volt, det samme som tre Ni-MH- eller Ni-Cd-batterier (1,2 V hver).
• Minimal minneeffekt .
• Lineær utladning: under hele utladingen varierer spenningen mye: hvis den nominelle spenningen til en litiumcelle er 3,6V, vil maksspenningen være rundt 4,2V, mens minimum anbefalt spenning er 2,5V for å forhindre dyp batteriutlading og forkorting av batterilevetid. Dette betyr at variasjonen av cellespenningen i forhold til ladetilstanden er konstant. Det vil si at helningen til dV/dC-linjen er konstant (hvis den er plottet, er spenning mot utladning en rett linje). Dette gjør det enkelt å vite med god presisjon ladetilstanden til batteriet.
• Lang levetid i profesjonelle batterier for elektriske kjøretøy (med typen LiFePO 4 ). Noen produsenter viser data for mer enn 3000 lade-/utladingssykluser for et kapasitetstap på 20 % ved C/3.
• Lett å vite hvilken last de lagrer. Bare mål batterispenningen i hvile. Den lagrede energien er en funksjon av den målte spenningen.
• Svært lav selvutladningshastighet: Når vi lagrer et batteri, utlades det gradvis selv om vi ikke bruker det. Når det gjelder Ni-MH-batterier, kan denne "selvutladningen" utgjøre mer enn 20 % per måned, bortsett fra Ni-MH-batterier med LSD-teknologi (Low Self Discharge), som kan opprettholde 80 % lading etter et år For Li-ion er det mindre enn 6 % per måned. Mange av dem, etter seks måneder i hvile, kan beholde 80 % av ladningen.

Kombinasjoner

Merk at det er mange kombinasjoner av litium på markedet , som kan føre til mange forskjellige egenskaper. Blant dem finner vi:

• Polymer litium-ion-batterier, der hovedforskjellen fra vanlige litium-ion-batterier er at litium-saltelektrolytten ikke er inneholdt i et organisk løsningsmiddel , men i en fast polymerforbindelse som polyetylenoksid eller polyakrylnitril . Fordelene med litiumpolymer fremfor litiumion er: lavere produksjonskostnader, tilpasningsevne til et bredt spekter av emballasjeformer, pålitelighet og styrke.
• Litiumjernfosfat (LiFePO 4 ) , også kjent som LFP. Sammenlignet med tradisjonelle litiumionbatterier, hvor LiCoO 2 er en av de dyreste komponentene, er litiumjernfosfatbatterier betydelig billigere å produsere.
• De av typen olivinlitiumjernfosfat . De har den egenskapen at de kan vare ca 10 år hvis de lades en gang daglig. I tillegg til å ha lang levetid, kan de lades veldig raskt, og det tar bare to timer å nå 95 % av kapasiteten. Den markedsføres blant annet av Sony Business Solutions (ESSP-2000). [ 15 ]

Standarder

IEEE har etablert standardene: [ 16 ]

• 1625 bærbare batterier .
• 1725 mobiltelefonbatterier . _
• 1825 foto- eller videokamerabatterier.

Se også

• blybatteri
• strømningsbatteri
• nanotråd batteri
• Silisium-luft batteri
• grafen
• Tungt metall
• overgangsmetall
• Silisium
• Bølge

Referanser

1. ^ a b "Oppladbare Li-Ion OEM-batteriprodukter" . Panasonic.com. Arkivert fra originalen 13. april 2010 . Hentet 23. april 2010 . 
2. ^ a b "Panasonic utvikler nye 18650 Li-Ion-celler med høyere kapasitet; Påføring av silisiumbasert legering i anode» . greencarcongress.com . Hentet 2011-01-31 . 
3. ^ Valøen, Lars Ole og Shoesmith, Mark I. (2007). Effekten av PHEV- og HEV-driftsykluser på batteri- og batteripakkeytelse Arkivert 2009-03-26 på Wayback Machine (PDF). 2007 Plug-in Highway Electric Vehicle Conference: Proceedings . Hentet 11. juni 2010.
4. ↑ Abe, H.; Murai, T.; Zaghib, K. (1999). "Dampdyrket karbonfiberanode for sylindriske litiumion-oppladbare batterier" . Journal of Power Sources 77 (2): 110-115. doi : 10.1016/S0378-7753(98)00158-X . Hentet 15. november 2014 .  
5. ↑ ThermoAnalytics, Inc. (2007). "Batterityper og egenskaper for HEV-er" . Arkivert fra originalen 20. mai 2015 . Hentet 15. november 2014 . 
6. ↑ "Lider litiumionbatterier av 'minneeffekt'?" . for elbiler . 20. april 2013 . Hentet 27. august 2022 . 
7. ^ "Hvordan litium-ion-batterier fungerer" . HowStuffWorks (på amerikansk engelsk) . 14. november 2006 . Hentet 27. august 2022 . 
8. ↑ Christian (2. november 2020). «Pylontech presenterer sine nye litiumbatterier» . Blogg - Enertik | Solenergi og fornybar energi . Hentet 14. desember 2020 . 
9. ↑ Ziegler, Micah S.; Trancik, Jessika E. (2021). "Undersøkelse av hastigheten på forbedring av litiumionbatteriteknologi og kostnadsnedgang" . Energy & Environmental Science 14 ( 4): 1635-1651. ISSN 1754-5692 . doi : 10.1039/D0EE02681F . Hentet 2022-04-26 .  
10. ^ "Prisen på batterier har gått ned med 97% de siste tre tiårene" . Vår verden i data . Hentet 2022-04-26 . 
11. ^ "Ennå-Ming Chiang | MIT DMSE» . dmse.mit.edu . Hentet 27. august 2022 . 
12. ↑ The Country, red. (1. mai 2015). "Tesla ser ut til å transformere energiindustrien med sitt batteri for hjemmet . " Hentet 14. juni 2015 . 
13. ↑ Europe Press (15. april 2013). "Lithium-ion-batterier lider også av 'minneeffekt ' " . Scienceplus . Hentet 15. mars 2018 . 
14. ↑ http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries _
15. ↑ http://geektheplanet.net/5854/the-next-generation-of-batteries-with-10-years-of-life.xhtml
16. ↑ http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1163714