Litiumjonbatteri

Från Wikipedia
(Omdirigerad från Litiumjonackumulator)
Hoppa till navigering Hoppa till sök
Litiumjonbatteri, Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Tyskland
Cylindrisk cell innan stängning (18650)

Litiumjonackumulator (Li-jonbatteri) är en ackumulator med den nominella cellspänningen 3,3 – 3,7 V jämfört med 1,2 V hos NiMH-cellen. Ett litium-jon-batteri är ett uppladdningsbart batteri där litiumjoner rör sig från den negativa elektroden till den positiva elektroden under urladdning och tillbaka vid laddning. Li-ion batterier använder en inlagrad litiumförening som en elektrodmaterial, jämfört med metalliskt litium som används i en icke-uppladdningsbart litiumbatteri. Elektrolyten, som gör det möjligt för jonisk rörelse, och de två elektroderna är de ingående komponenterna i ett litiumjoncell.

Användningsområden[redigera | redigera wikitext]

De flesta mobiltelefontillverkare har idag gått ifrån nickel-metallhydridackumulatorer och nickel-kadmiumackumulatorer till Litiumjonackumulatorer tack vare att batteriet har högre energitäthet och är mer skonsamt för miljön. Litium-jonackumulatorer förekommer även i många videokameror och annan elektronisk utustning såsom datorer, radiostyrda modellbilar och MP3-spelare. Elbilarna Toyota Prius Plug-in samt Tesla Model S använder också litiumjonackumulatorer. Även för storskalig lagring (t ex lagring av el från vindkraftverk, är litiumbatteriet ett alternativ. Uppskalningen av batteriet innebär ett antal nya utmaningar som måste lösas inom Li-jonbatteriforskningen. Varje ingående kemi (det negativa och positiva elektrodmaterialet och elektrolyten) i batteriet behöver göras billigare, säkrare och i betydligt större kvantiteter än i dag.

I dagens Li-jonbatterier används generellt litiumkoboltoxid som det aktiva katodmaterialet. Uppskalade Li-jonbatterier måste använda betydligt billigare övergångsmetaller än kobolt (Co). Järn är en av de billigaste metallerna som kan användas för tillverkning av litiuminnehållande järnfosfater eller järnsilikater och som tillsammans med grafit som negativ elektrodmaterial kan ge säkra och billiga batterier.

Säkerhet och livslängd är två andra viktiga frågeställningar att lösa för fordonsbatterier. Det är särskilt reaktioner mellan elektrodmaterialen och elektrolyten som man måste förstå och oönskade sidoreaktioner måste stoppas. När elfordon och hybridfordon körs utsätts batteriet för mycket snabbare ur- och uppladdningar än vad som sker i batterier för bärbar elektronik. Att öka livslängden och förstå vad det är som påverkar hur länge man kan använda ett batteri är därför viktigt.

Hög energitäthet jämfört med många andra batterisystem[redigera | redigera wikitext]

Energitätheten (Wh per vikt- eller volymenhet) varierar beroende på kemi men är genomgående högre än för NiMH.[1]

(Energi = kapacitet x spänning, Wh = Ah x V)

Litiumjonbatterier är en familj av batterier som består av olika elektrodmaterial där battericellens lagrade energi utvinns genom att litiumjoner rör sig mellan elektroderna i batteriet. Genom att använda olika sammansättning i anod- och katodmaterial och elektrolyt erhåller battericellen olika egenskaper.

Anod[redigera | redigera wikitext]

Anoden i dagens litiumjonceller består av en grafitmix. Det har dock blivit vanligare och vanligare att man blandar i några procent kisel, upp mot 5 %, för att öka energitätheten något.[2][3]

I vissa celler för specialtillämpningar kan litiumtitanat (LTO eller Li4Ti5O12) användas. Titanaten har som fördel att det klarar av mycket höga upp- och urladdningsströmmar, klarar av många cykler (antal upp- och urladdningar) och har en lång livslängd men har nackdelen av att det sänker den totala cellspänning (~2,4 V) vilket gör det mindre attraktivt ur energitäthetssynpunkt samt att de är dyrare än litiumjonceller med grafitanod.

Katod[redigera | redigera wikitext]

De vanligaste katodmaterialen i dagens litiumjonceller består av någon typ av metalloxid alternativt järnfosfat[4]. Det finns ett flertal olika katodmaterial som på grund av sina ingående komponenter och uppbyggnad skiljer sig åt gällande energidensitet, effektuttag, livslängd, kostnad och säkerhet vilket gör att de lämpar sig bättre eller sämre för användning i en viss applikation. Eftersom de flesta av dagens kommersiella litiumjonbatterier använder grafit som anod är det valet av katodmaterial som till mångt och mycket avgör battericellens egenskaper som t.ex. hur snabbt cellen kan laddas ur och hur hög energitäthet en viss cell har.[5]

Säkerhet[redigera | redigera wikitext]

Under normal användning är litiumjonbatterier inte farligare än alkaliska batterier men när batterierna skadas, utsätts för höga temperaturer eller på annat sätt används utanför vad de är specificerade för så kan det i värsta fall ske allvarliga incidenter så som brand eller explosion. Anledningen till detta är att energin som finns i litiumjonbatterier är mycket större än för ett alkaliskt batteri av samma storlek. Ytterligare en anledning är att litiumjoncellen innehåller en elektrolyt som består av brandfarliga organiska lösningsmedel som är lättantändliga även vid rumstemperatur till skillnad från ett alkaliskt batteri där elektrolyten är vattenbaserad och inte speciellt brandfarlig. Generellt sett är det viktigt att alltid hålla sig inom de av tillverkaren specificerade parametrarna, så som upp- och urladdningsströmmar och temperaturspann, för att säkerställa att cellerna används på ett säkert sätt.[6]

Laddning[redigera | redigera wikitext]

Laddning av litiumjonbatterier sker nästan uteslutande enligt ett konstant-ström/konstant-spänning förfarande för att skydda battericellerna från att överladdas men ändå uppnå full laddning. Man laddar först cellen med en konstant ström till en förutbestämd spänning och när man nått dit så går man över till att hålla spänningen konstant och låter strömmen klinga av till en låg nivå. Laddning vid temperaturer under noll grader bör alltid undvikas om inte någon annan temperatur finns specificerad från tillverkaren.[7]

Ett vanligt uttryck som används kring laddning (och även urladdning) av litiumjonbatterier är termen state-of-charge, eller förkortat SOC, som är ett sätt att uttrycka ett batteris kapacitet i procent (laddningsgrad). Ett fullt uppladdat batteri har 100 % SOC och ett helt urladdat batteri har 0 % SOC.

C-rate är ett annat uttryck som används för strömmar som har normaliserats mot en specifik cells uppmätta kapacitet för att underlätta när man jämför fler olika batterier. Till exempel så är 1C (C som i C-rate) den ström en cell behöver för att laddas ur på 1 timme och 0,1C (kan även skrivas som C/10) är strömmen som motsvarar en urladdning under 10 timmar.[8]

Lagring[redigera | redigera wikitext]

Litiumjonbatterier som inte används bör förvaras vid 15-25 °C, undvik att förvara batterierna i kylskåp då luftfuktigheten kan bidra till att cellen korroderar. Undvik även att förvara batterierna fullt uppladdade under en längre tid då de kan tappa en del av sin kapacitet permanent. Man bör heller inte förvara batterierna i utrustning under lång tid när den inte används. Anledning till detta är att litiumjonceller har ca 1-3 % självurladdning per månad och detta i kombination med krypströmmar från säkerhetselektronik och utrustning så kommer batteriet sakta laddas ur så pass mycket att det inte längre kan användas. En litiumjoncell som laddats ur under 2 V bör av säkerhetsskäl aldrig laddas upp igen.[9]

Uppbyggnad av litiumjonceller[redigera | redigera wikitext]

Cylindrisk cell[redigera | redigera wikitext]

I cylindriska litiumjonceller är elektroderna långa remsor av metallfolie med belagt elektrodmaterial på båda sidor. Elektroderna (en anod och en katod) rullas ihop, åtskilda av en tunn separator av en porös polymer (plastliknande material) till en cylinder, en s.k. ”jelly roll”, och placeras därefter i ett ytterhölje av rostfritt stål, den s.k. cellkannan.

Prismatisk cell[redigera | redigera wikitext]

Elektroderna i en prismatisk cell är antingen långa remsor så som i den cylindriska cellen, men som lindas eller viks ihop istället för att rullas till en cylinderform, eller tvåsidigt belagda, separata ark som läggs på hög, varannan anod och katod, med skikt av separator emellan. Den prismatiska cellkannan är vanligtvis av aluminium.

Pouch cell[redigera | redigera wikitext]

Pouch celler brukar vanligtvis använda sig av samma konstruktion som de prismatiska cellerna. Det som skiljer de två celltyperna åt är att cellkannan i en pouchcell utgörs av en tunn laminerad aluminiumfolie, likt det som används som förpackningsmaterial till kaffe. Eftersom pouchcellen inte har ett hårt och robust ytterhölje är de mer känsliga för stötar och slag jämfört ned de cylindriska eller prismatiska cellerna. För att förbättra den mekaniska stabiliteten kapslar man ibland in pouchcellen i ett plasthölje, vilket är vanligt förekommande i t.ex mobiltelefoner.

Knappceller[redigera | redigera wikitext]

Litiumjonceller förekommer också i knappcellsformat men utgör en klart mindre marknadsandel jämfört med andra nämnda cellformat. Den interna strukturen består av staplade anoder och katoder där katoden vanligtvis är innesluten i ett separatormaterial. Oftast är dessa batterier inbyggda i produkten och handhas inte enskilt av användaren.[10][11]

Transport[redigera | redigera wikitext]

Speciella regler gäller för transporter av litiumjonbatterier eftersom de klassas som farligt gods. Önskat transportsätt avgör vilka lagar och förordningar man måste följa för att få skeppa litiumbatterier. För flygtransport regleras detta i IATAs Dangerous Goods Regulation (IATA DGR), för vägtransport i ADR (den svenska versionen av ADR publiceras av Myndigheten för samhällsskydd och beredskap, MSB) och för sjötransport i IMDG koden.[12]

Oavsett transportsätt måste alla litiumjonbatterier ha genomgått testning enligt UN Manual of Tests and Criteria, del III, subsektion 38.3 (förkortat ”UN38.3-testning”) innan de får skeppas.

Se även[redigera | redigera wikitext]

Källor[redigera | redigera wikitext]

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Lithium-ion battery, oktober 2019.
  1. ^ Bergveld, Kruijt, Notten (2002). Battery Management Systems: Design by Modelling. sid. 107–108 
  2. ^ Luo, Jiayan; Zhao, Xin; Wu, Jinsong; Jang, Hee Dong; Kung, Harold H.; Huang, Jiaxing (2012-07-05). ”Crumpled Graphene-Encapsulated Si Nanoparticles for Lithium Ion Battery Anodes”. The Journal of Physical Chemistry Letters 3 (13): sid. 1824–1829. doi:10.1021/jz3006892. https://doi.org/10.1021/jz3006892. Läst 20 oktober 2019. 
  3. ^ Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, A. C.; Swanson, S.; Wilcke, W. (2010-07-15). ”Lithium−Air Battery: Promise and Challenges”. The Journal of Physical Chemistry Letters 1 (14): sid. 2193–2203. doi:10.1021/jz1005384. https://doi.org/10.1021/jz1005384. Läst 20 oktober 2019. 
  4. ^ Hayner, Cary M.; Zhao, Xin; Kung, Harold H. (2012). ”Materials for rechargeable lithium-ion batteries”. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering 3: sid. 445–471. doi:10.1146/annurev-chembioeng-062011-081024. ISSN 1947-5438. PMID 22524506. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22524506. Läst 20 oktober 2019. 
  5. ^ Eftekhari, Ali (2017-04-01). ”Low voltage anode materials for lithium-ion batteries”. Energy Storage Materials 7: sid. 157–180. doi:10.1016/j.ensm.2017.01.009. ISSN 2405-8297. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829716303531. Läst 20 oktober 2019. 
  6. ^ ”Battery Power Online | Second Edition of IEC 62133” (på en-US). https://www.batterypoweronline.com/markets/manufacturing-materials/second-edition-of-iec-62133-the-standard-for-secondary-cells-and-batteries-containing-alkaline-or-other-non-acid-electrolytes-is-in-its-final-review-cycle/. Läst 20 oktober 2019. 
  7. ^ ”Wayback Machine”. web.archive.org. 7 oktober 2007. https://web.archive.org/web/20071007175038/http://www.gpbatteries.com/html/pdf/Li-ion_handbook.pdf. Läst 20 oktober 2019. 
  8. ^ ”How to charge Lithium ion Batteries, lithium polymer batteries, and lithium iron phosphate cells, lithium battery chargers.”. www.powerstream.com. http://www.powerstream.com/li.htm. Läst 20 oktober 2019. 
  9. ^ Gianfranco, Pistoia (2014-01-31). Lithium-Ion Batteries 1st Edition 
  10. ^ ”Rechargeable Li-Ion Button Battery”. AA Portable Power Corp. http://www.batteryspace.com/productimages/aa/20060224/LIR2032_new1.pdf. Läst 20 oktober 2019. 
  11. ^ ”Electrochemical Impedance Spectroscopy Analysis and Modeling of Lithium Cobalt Oxide/Carbon Batteries”. Salim Erol. https://www.researchgate.net/publication/270589441_Electrochemical_Impedance_Spectroscopy_Analysis_and_Modeling_of_Lithium_Cobalt_OxideCarbon_Batteries. Läst 20 oktober 2019. 
  12. ^ ”017 Lithium Battery Guidance Document”. IATA. https://www.iata.org/whatwedo/cargo/dgr/Documents/lithium-battery-guidance-document-2017-en.pdf. Läst 20 oktober 2019.