Litiumjonbatteri (Li- ion ) är en typ av elektriskt batteri som används flitigt i modern hemelektronik och finner sin tillämpning som strömkälla i elfordon och energilagringsenheter i kraftsystem. Det är den mest populära batteritypen i enheter som mobiltelefoner , bärbara datorer , digitalkameror , videokameror och elfordon . 2019 fick Whittingham, Goodenough och Yoshino Nobelpriset i kemi för sin utveckling av litiumjonbatterier.
För första gången visades den grundläggande möjligheten att skapa litiumbatterier baserade på förmågan hos titandisulfid eller molybdendisulfid att inkludera litiumjoner under batteriurladdning och extrahera dem under laddning 1970 av Michael Stanley Whittingham . En betydande nackdel med sådana batterier var lågspänningen - 2,3 V och hög brandrisk på grund av bildandet av litiummetalldendriter som stänger elektroderna.
Senare syntetiserade J. Goodenough andra material för katoden i ett litiumbatteri - litiumkoboltit Li x CoO 2 (1980), litiumferrofosfat LiFePO 4 (1996). Fördelen med sådana batterier är en högre spänning - cirka 4 V.
Den moderna versionen av litiumjonbatteriet med en grafitanod och litiumkoboltkatod uppfanns 1991 av Akira Yoshino . Det första litiumjonbatteriet enligt hans patent släpptes av Sony Corporation 1991 .
För närvarande pågår forskning för att hitta material baserade på kisel och fosfor som ger en ökad kapacitet för interkalering av litiumjoner och för att ersätta litiumjoner med natriumjoner .
Andra studier minskar effekten av åldrande och ökar livslängden. Till exempel kommer användningen av bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene (Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene, BP) att spara 95 procent av batterikapaciteten även efter 1700 laddningscykler. [1] [2]
Whittingham, Goodenough och Yoshino fick Nobelpriset i kemi 2019 med formuleringen "för utveckling av litiumjonbatterier".
Beroende på den kemiska sammansättningen och enheten delas litiumjonbatterier in i typer som skiljer sig mycket åt i konsumentkvaliteter.
Denna sort har den högsta kapaciteten, men är krävande på arbetsförhållandena och har en mycket begränsad resurs. Driftspänningsområdet är från 3 till 4,2 V. Den högsta specifika energiförbrukningen är upp till 250 Wh / kg, toppurladdningsströmmen är inte mer än två kapaciteter (det vill säga ett 2 Ah batteri har en tillåten ström på 4 A) , långvarig urladdningsström är inte mer än en behållare.
Långvarig batterilagringstemperatur -5°C vid 40-50 % laddning. Litium-koboltbatterier är explosiva och kan antändas om de blir överhettade eller djupurladdade. Av dessa skäl är de vanligtvis utrustade med en skyddstavla och är märkta med Skyddad. Urladdningsspänning - inte lägre än 3 V. Explosiv om höljet är skadat, åldras snabbt (medellivslängd - 3-5 år, i "laddning-urladdning"-cykler - inte mer än 500). Högströmsladdning är oönskad. Extremt giftigt vid antändning.
Mer hållbar och säkrare än kobolt, högströmsladdning är acceptabel. Driftspänningsområde - från 2,5 till 4,2 V. Specifik energiförbrukning - 140-150 Wh / kg. Resurs - cirka 5-6 år - upp till 1000 laddnings-urladdningscykler. Hög ström under belastning - upp till 5 kapaciteter. Utsläppsgränsen är 2,5 V, dock är en minskning av resurser möjlig. INR-batterier har sällan ett skyddskort, men laddningskretsen är alltid spänningsbegränsad. Inoperabel under -10 °C. Säker nog att använda, explodera inte eller antändas. De har låg självurladdning.
Den senaste generationen med den största resursen. Driftspänningsområdet är från 2 till 3,65 V, den nominella spänningen är 3,2 V. Den specifika energiförbrukningen är cirka 150 Wh/kg. Resurs - 10-20 år, cirka 1500-3000 laddnings-urladdningscykler (upp till 8000 under milda förhållanden). Hög belastningsström (upp till 10 kapaciteter) och stabil urladdningsspänning är idealiska för elfordon, rovers, cyklar och liknande applikationer. En urladdning nära den nedre spänningsgränsen (2 V) kan minska resursen. Högströmsladdning med säkerhet är tillåten. Under de svåraste driftsförhållandena avger de inte gas, exploderar inte eller antänds.
Högsta hållbarhet och brett driftstemperaturområde. Driftspänningsområde och från 1,6 till 2,7 V, märkspänning - 2,3 V. Specifik energiförbrukning - cirka 100 Wh / kg. Resurs - mer än 15 000 laddnings-urladdningscykler. Temperaturområde och från −30 °C till +60 °C. Den har ett mycket lågt motstånd, vilket tillåter användning av ultrasnabb laddning, och en låg självurladdning, cirka 0,02 % per dag.
De viktigaste indikatorerna för element, beroende på den kemiska sammansättningen, ligger inom följande gränser:
Nästan alltid är en styrenhet (eller PCM-kort ( English Protection Circuit Module )) inbyggd i batterihöljet, som styr laddningen och skyddar batteriet från överladdningsspänning, överurladdning och övertemperatur, vilket leder till för tidig degradering eller förstörelse . Dessutom kan denna styrenhet begränsa strömförbrukningen, skydda mot kortslutning . Tänk dock på att inte alla batterier är skyddade. Tillverkare får inte installera det för att minska kostnaden, vikten, och i enheter som har en inbyggd skyddskontroll använder batterier (till exempel bärbara datorer) batterier utan inbyggt skyddskort [7] .
Litiumbatterier har särskilda krav vid seriekoppling av flera celler . Laddarna för sådana flercellsbatterier eller själva batterierna är försedda med en cellbalanseringskrets. Poängen med att balansera är att de elektriska egenskaperna hos cellerna kan skilja sig något, och vissa celler kommer att nå full laddning/urladdning före andra. Samtidigt är det nödvändigt att sluta ladda denna cell, medan du fortsätter att ladda resten, eftersom överurladdning eller överladdning av litiumjonbatterier inaktiverar dem. Denna funktion utförs av en speciell nod - en balanserare (eller BMS-kort ( engelsk Battery Management System ) [8] ). Den shuntar den laddade cellen så att laddningsströmmen går förbi den. Balanserare utför samtidigt både funktionen av ett skyddskort i förhållande till vart och ett av batterierna, och batteriet som helhet [9] [10] .
Laddare kan stödja en slutlig laddningsspänning i intervallet 4,15-4,25 V.
Det finns litiumjon- och litiumpolymerbatterier av AA- och AAA-storlekar med en spänning på 1,5 V. De har inte bara en skyddskrets, utan också en inbyggd elektronisk spänningsomvandlare ( eng. DC-DC-omvandlare ). Skillnaden mellan sådana batterier är en stabiliserad spänning vid kontakterna på 1,5 V, oberoende av battericellens driftspänning och dess momentana nollställning när litiumcellen urladdas till den nedre tillåtna gränsen och överladdningsskyddet utlöses. Dessa batterier kan förväxlas med 14500 och 10440 3,7 V-batterier av liknande storlek, såväl som icke-uppladdningsbara litiumbatterier för engångsbruk . Alla är märkta på olika sätt.
Ett litiumjonbatteri består av elektroder (katodmaterial på aluminiumfolie och anodmaterial på kopparfolie) åtskilda av en porös separator impregnerad med elektrolyt. Paketet med elektroder placeras i ett förseglat hölje, katoderna och anoderna är anslutna till strömkollektorterminalerna. Kroppen är ibland utrustad med en säkerhetsventil som avlastar det inre trycket i nödfall eller brott mot driftsförhållandena. Litiumjonbatterier skiljer sig åt i vilken typ av katodmaterial som används. Laddningsbäraren i ett litiumjonbatteri är en positivt laddad litiumjon, som har förmågan att interkalera (interkalera) i kristallgittret av andra material (till exempel till grafit, oxider och metallsalter) med bildning av en kemikalie binder till exempel: till grafit med bildning av LiC 6 , oxider (LiMnO 2 ) och salter (LiMn R O N ) av metaller.
Till en början användes litiummetall som negativa plattor , sedan kolkoks . Senare började grafit användas . Användningen av koboltoxider gör att batterier kan arbeta vid mycket lägre temperaturer, vilket ökar antalet urladdnings-/laddningscykler för ett batteri. Spridningen av litium-järn-fosfatbatterier beror på deras relativt låga kostnad. Litiumjonbatterier används i en uppsättning med ett övervaknings- och kontrollsystem - SKU eller BMS (batterihanteringssystem) - och en speciell laddnings-/urladdningsanordning.
Det finns för närvarande tre klasser av katodmaterial som används vid massproduktion av litiumjonbatterier:
Elektrokemiska kretsar för litiumjonbatterier:
På grund av låg självurladdning och ett stort antal laddnings-/urladdningscykler är Li-ion-batterier mest föredragna för användning i alternativ energi. Samtidigt är de, förutom I&C-systemet, utrustade med växelriktare (spänningsomvandlare).
Vanligt använda litiumjonbatterier är ofta extremt brandfarliga när de är överladdade, felaktigt laddade eller mekaniskt skadade.
Den första generationens Li-ion-batterier utsattes för en explosiv effekt. Detta förklarades av det faktum att de använde en anod gjord av metalliskt litium, på vilken, under flera laddnings-/urladdningscykler, rumsliga formationer ( dendriter ) uppträdde, vilket ledde till kortslutning av elektroderna och, som ett resultat, brand eller explosion . Denna brist eliminerades slutligen genom att ersätta anodmaterialet med grafit. Liknande processer inträffade också på katoderna hos litiumjonbatterier baserade på koboltoxid när driftsförhållandena bröts (återladdade). Litium-ferro-fosfatbatterier är helt utan dessa brister.
Litiumbatterier visar ibland en tendens till explosiv självantändning. [18] [19] [20] Intensiteten av att bränna även från miniatyrbatterier är sådan att det kan leda till allvarliga konsekvenser. [21] Flygbolag och internationella organisationer vidtar åtgärder för att begränsa transporten av litiumbatterier och enheter med dem på flygtransporter. [22] [23]
Spontan förbränning av ett litiumbatteri är mycket svårt att släcka på traditionellt sätt. I processen med termisk acceleration av ett felaktigt eller skadat batteri sker inte bara frigöring av lagrad elektrisk energi, utan också ett antal kemiska reaktioner som frigör ämnen för att stödja förbränning, brännbara gaser från elektrolyten [24] , och även i fallet med icke-LiFePO4-elektroder [25] , syre. Därför kan ett utvidgat batteri brinna utan tillgång till luft, och medel för isolering från atmosfäriskt syre är olämpliga för att släcka det. Dessutom reagerar metalliskt litium aktivt med vatten för att bilda brännbar vätgas, därför är släckning av litiumbatterier med vatten effektivt endast för de typer av batterier där massan på litiumelektroden är liten. I allmänhet är det ineffektivt att släcka en litiumbatteribrand. Syftet med släckningen kan endast vara att sänka temperaturen på batteriet och förhindra spridning av lågor [26] [27] [28] .
Traditionellt trodde man att, till skillnad från Ni-Cd- och Ni-MH- batterier, är Li-Ion-batterier helt fria från minneseffekten . Enligt resultaten av forskning av forskare från Paul Scherer Institute (Schweiz) 2013 upptäcktes denna effekt ändå, men den visade sig vara försumbar. [29]
Anledningen till detta är att grunden för batteridrift är processerna för frisättning och återfångning av litiumjoner, vars dynamik försämras i händelse av ofullständig laddning. [30] Under laddning lämnar litiumjoner en efter en partiklarna av litiumferrofosfat, vars storlek är tiotals mikrometer. Katodmaterialet börjar separeras till partiklar med olika litiumhalt. Batteriet laddas mot bakgrund av en ökning av den elektrokemiska potentialen. Vid något tillfälle når det sin gräns. Detta leder till en accelererad frisättning av de återstående litiumjonerna från katodmaterialet, men de förändrar inte längre batteriets totala spänning. Om batteriet inte är fulladdat kommer ett visst antal partiklar nära gränstillståndet att finnas kvar på katoden. De nådde nästan utsläppsbarriären för litiumjoner, men hann inte övervinna den. Under urladdning tenderar fria litiumjoner att återvända till sin plats och rekombineras med ferrofosfatjoner. Men de påträffas även på katodytan av partiklar i gränstillståndet, som redan innehåller litium. Återfånget blir svårare och elektrodens mikrostruktur störs.
För närvarande övervägs två sätt att lösa problemet: förändringar i batterihanteringssystemets algoritmer och utveckling av katoder med ökad yta.
Djup urladdning förstör litiumjonbatteriet fullständigt. Batteriets livscykel påverkas också av djupet på dess urladdning före nästa laddning och laddning med högre strömmar än de som anges av tillverkaren. På grund av batteriets låga interna resistans är laddningsströmmen mycket beroende av spänningen vid dess poler under laddning. Laddströmmen beror på spänningsskillnaden mellan batteriet och laddaren och på resistansen hos både batteriet i sig och kablarna som är anslutna till det. En ökning av laddningsspänningen med 4% kan leda till en ökning av laddningsströmmen med en faktor 10, vilket påverkar batteriet negativt, med otillräcklig värmeavlägsnande, det överhettas och försämras. Som ett resultat, om batterispänningen överskrids med endast 4 %, kommer den att förlora kapacitet dubbelt så snabbt från cykel till cykel [31] .
Litiumbatterier åldras även om de inte används. Följaktligen är det ingen mening att köpa ett batteri "i reserv" eller att bli för medtagen genom att "spara" dess resurs.
De optimala lagringsförhållandena för Li-ion-batterier uppnås med 40 % laddning från batterikapaciteten och en temperatur på 0 ... 10 °C [32] .
Temperatur, ⁰C | Med 40 % avgift, % per år | Med 100 % avgift, % per år |
---|---|---|
0 | 2 | 6 |
25 | fyra | tjugo |
40 | femton | 35 |
60 | 25 | 60 (40 % på tre månader ) |
Precis som med andra typer av batterier leder urladdning vid låga temperaturer till en minskning av energiuttaget, särskilt vid temperaturer under 0 ⁰C. En minskning av tillförseln av utgångsenergi när temperaturen sjunker från +20 ⁰C till +4 ⁰C leder alltså till en minskning av utgångsenergin med ~5-7 %, en ytterligare minskning av urladdningstemperaturen under 0 ⁰C leder till en förlust av utgående energi med tiotals procent. Att ladda ur batteriet vid en temperatur som inte är lägre än vad som anges av batteritillverkaren leder inte till deras försämring (för tidig utmattning av resursen). Precis som med andra typer av batterier är en lösning på problemet batterier med intern uppvärmning [33] .