Rådgiver
Teksten forneden er maskineoversat fra den tyske originaltekst.
Værd at vide om lithium-ion-batterier
Hvad er et lithium-ion batteri?
Hvordan er et lithium-ion-batteri struktureret?
Hvordan fungerer et lithium-ion batteri?
Hvordan oplades et lithium-ion-batteri korrekt?
Hvor mange opladningscyklusser opnår et lithiumbatteri?
Hvad betyder tallene 18650 eller 14500?
Hvad er et lithiumpolymerbatteri?
Resume med fordele og ulemper
Moderne mobile enheder såsom smartphones, tablets, notebooks, digitale kameraer eller endda trådløse elværktøjer skal være kompakte, praktiske og lette. Derudover skal enhederne have lange batteritider. Dette er krav, der kun kan implementeres i virkeligheden med den nyeste lithium-batteriteknologi.
Hvad er et lithium-ion batteri?
Et lithium-ion batteri eller Li-ion batteri er en genopladelig lagerenhed til elektrisk energi. Til sammenligning er et lithium-ion-batteri kun beregnet til engangsbrug og kan ikke genoplades.
Den store fordel ved et lithium-ion-batteri er dets høje energitæthed. Med andre ord: der er meget strøm i et lille batteri!
Navnet på batteriet stammer fra lithiumionerne, der vandrer frem og tilbage mellem de to elektroder under opladning og afladning og er indlejret i de respektive elektrodematerialer.
På grund af den signifikant højere spænding på 3,3 - 3,8 V pr. Celle er et lithium-ion-batteri ikke egnet til udskiftning af konventionelle NiCd- eller NiMH-batterier med en spænding på 1,2 V pr. Celle
Lithium-ion-batterier er kompakte og kraftfulde.
Hvordan er et lithium-ion-batteri struktureret?
Som ethvert andet batteri eller et konventionelt batteri består lithium-ion-batteriet af en positiv elektrode (katode), en negativ elektrode (anode) og en elektrolyt, der fungerer som et transportmedium for lithiumionerne.
Betonstrukturen ser sådan ud:
Skematisk struktur af et LiIon-batteri.
Strøm tilføres elektroderne via elektrisk ledende lag lavet af forskellige materialer.
Til katoden anvendes den positive forbindelse aluminium (1) som lederlag. Til anoden anvendes minusforbindelsen kobber (2) som lederlag.
Katoden (+ pol) består af et lithiummetaloxid (3), som kan indeholde forskellige andele af nikkel, cobalt eller mangan. Alternativt anvendes lithiumjernphosphat også som katodemateriale.
Anoden (polen) består af kulstof (4) eller bedre sagt grafit, som er struktureret i lag. I stedet for grafit anvendes imidlertid også nanokrystallinsk, amorft silicium, lithiumtitanater eller tindioxid.
Vigtig:
Elektrodernes type og sammensætning bestemmer batteriets spændingsniveau og elektriske egenskaber. I princippet gælder dog følgende: jo mere ensartet og ren den kemiske sammensætning, jo højere er cellens ydeevne og levetid.
En vandfri elektrolyt (5), der tjener som et transportmedium, er placeret mellem elektronerne, så lithiumionerne kan bevæge sig frem og tilbage i cellen som ladningsbærere. Forskellige salte anvendes, såsom lithiumhexafluorphosphat eller lithiumtetrafluorborat, der er opløst i aprotiske opløsningsmidler, såsom ethylen eller propylencarbonat. Elektrolytten skal være ekstremt ren, så opladnings- og afladningsprocesserne kan køre problemfrit.
For at undgå kortslutning mellem elektroderne adskilles elektroderne med en separator (6). Separatoren består af en mikroporøs polyolefinmembran, der kun er permeabel for de små lithiumioner.
Hvordan fungerer et lithium-ion-batteri?
Funktionaliteten forklares ved hjælp af et almindeligt lithiumcobaltdioxidbatteri.
Opladningsprocessen
Under opladningsprocessen er en spændingskilde eller oplader (1) forbundet med elektroderne.
På grund af opladningsspændingen migrerer elektroner fra katoden (+ polen) på batteriet (2) via opladerkablet (3) til den positive tilslutning af opladeren.
Elektroner bevæger sig også fra den negative forbindelse fra opladeren via opladerkablet (4) til batteriets anode (pol) (5).
Dette ville oplade lithiummetalloxidlaget (6) positivt og grafitlaget (7) negativt.
Hvis du nu ser på oxitationsnumrene for lithiummetalloxidlaget, vises følgende billede:
Lithium (8) har oxidationsnummeret + I
Kobolt (9) har oxitationsnummeret + III
Oxygen (10) har oxidationsnummeret -II
Lithiumcobaltdioxid (LiCoO2) er i sig selv ikke afladet i denne tilstand.
Opladeren får elektroner til at migrere.
De frie Li-ioner migrerer fra katoden gennem separatoren til anoden.
Opladningsprocessen fjerner elektroner fra katoden, hvorved kobolt oxideres yderligere til oxidationsniveau IV.
Oxidet ville blive positivt ladet som et resultat. For at modvirke dette forlader lithiumionerne oxidet, hvilket gør det uopladet igen.
De nu frie lithiumioner vandrer gennem elektrolytten og separatoren til batteriets anode (pol).
Der går de ind i en intercalationforbindelse (Latin intercalare = at indsætte) med den laglignende struktur af grafitten og absorberer de frie elektroner.
Når alle lithiumioner er ankommet og indlejret på anodesiden, er batteriet fuldt opladet.
Aflæsningsprocessen
Ved afladning frigøres interkaleringsforbindelserne ved anoden (polen).
Lithium frigiver de elektroner, det har samlet op, og bliver en positivt ladet lithiumion.
Da lithium som uædle metaller afgiver sine elektroner ekstremt let, finder denne proces næsten automatisk sted. Alt, hvad der kræves, er at forbinde batteriernes elektroder til et eksternt kredsløb inklusive belastninger.
Elektronerne afgivet af lithium ledes via det eksterne kredsløb fra anoden (- polen) via forbrugeren til katoden (+ polen). Der reducerer de kobolt fra oxidationsniveau IV tilbage til niveau III.
Som et resultat er oxidet negativt ladet og kan nu absorbere positivt ladede lithiumioner igen.
Og det er præcis, hvad der sker. Fordi efter at elektronen er frigivet, migrerer lithiumionerne fra anoden gennem elektrolytten og separatoren tilbage til katoden. Der forbindes de igen for at danne LiCoO2.
De frie Li-ioner migrerer fra anoden tilbage til katoden.
Hvordan oplades et lithium-ion-batteri korrekt?
Enhedsbatterier
Så pæn som den høje energitæthed hos lithium-ion-batterier er, har energidispenserne en stor ulempe: De er ekstremt reaktiveempfindlich auf Überladung und Tiefentladung.
I begge tilfælde ødelægges lithiumbatterierne uopretteligt.
Dette er ikke et problem for indbyggede batterier i smartphones, tablets, notebooks eller endda til trådløse værktøjer. Fordi i de respektive enheder anvendes passende elektronik, der oplader batteriet i overensstemmelse med reglerne og pålideligt beskytter det mod total afladning.
For at sikre dette skal opladere, der tilhører den respektive enhed, altid bruges.
Enkeltceller
Disse eksterne enhedsbeskyttelsesanordninger mangler i tilfælde af enkeltceller til individuel brug. Derfor udstyrer nogle producenter deres batterier med intelligente beskyttelseskredsløb, der effektivt beskytter batteriet i tilfælde af forkert behandling.
Beskyttelseskredsløbene integreres derefter direkte i battericellen. Men selv med et integreret beskyttelseskredsløb skal brugeren overholde producentens specifikationer, når han designer opladningsspændingen og ladestrømmen.
Det er vigtigt, at den korrekte opladningsspænding anvendes. For afhængigt af hvilke stoffer der blev brugt til elektroderne, har lithiumbatterier forskellige nominelle spændinger:
Den nominelle spænding på et lithiumcobaltdioxidbatteri er 3,6 V.
Den nominelle spænding for et lithium-mangandioxid-batteri er 3,7 - 3,8 V.
For et lithiumjernfosfatbatteri er den nominelle spænding 3,3 V.
Opladningsspændingerne er tilsvarende forskellige. I tvivlstilfælde hjælper et kig på batteriets tekniske datablade.
Beskyttelseskredsløbet er indbygget direkte i battericellen.
Batteripakker
Opladning af et modelbygningsbatteri med en balancerforbindelse
Lithium-batterier, der f.eks. Bruges som drevbatterier i modelbygning, har ingen beskyttelsesanordninger.
Her skal brugeren sikre, at batteriet oplades korrekt. Hvis cellerne i en batteripakke er forbundet i serie, skal det også sikres, at alle batterier har den samme spænding.
Dette er grunden til, at modelkonstruktionsopladere er udstyret med såkaldte balancere. Under opladningsprocessen aflader balanceren altid cellerne med den højeste spænding kortvarigt via en belastningsmodstand, så alle celler i batteripakken har den samme spænding op til 1/100 volt.
Det tilstødende billede viser forbindelsen mellem to batteripakker med flere celler. Ladestrømmen strømmer gennem de to ydre kabler (1) med bananstikkene. Multikerne-kablerne (2) bruges til at forbinde til balanceren i opladeren. For at kunne oplade batterier med forskellige antal celler bruges adapterplader (3) til balancertilslutningen.
Opladning
Et lithium-ion-batteri oplades i henhold til strøm og spænding
. Dette betyder, at ladestrømmen ved starten af opladningen (t1) er begrænset til den maksimalt tilladte værdi. Batteriproducenten specificerer, hvor høj opladningsstrømmen kan være. Hurtigt opladende celler kan oplades ved 1 C, 2 C eller endnu højere.
Værdien "C" refererer altid til batteriets kapacitet. Hvis en maksimal ladestrøm på 2 C er tilladt for et batteri med en kapacitet på 2500 mAh, kan batteriet muligvis oplades med maksimalt 5 A. Selvom det kunne trække en markant højere strøm i begyndelsen af opladningsprocessen.
Når den maksimale opladningsspænding er nået (t2), træder spændingsreguleringen i kraft og forhindrer opladningsspændingen i at stige yderligere. Som et resultat, hvis spændingen forbliver den samme, er opladningsstrømmen altid lavere.
Når strømmen har nået en minimumsværdi (t3), er batteriet fuldt opladet.
Repræsentation af opladningsspændingen (blå) og opladningsstrømmen (rød).
Hvor mange opladningscyklusser opnår et lithiumbatteri?
Antallet af anvendelige opladnings- / afladningscyklusser kan være flere hundrede cykler. Hvor mange cyklusser batteriet kan klare i virkeligheden afhænger af mange faktorer:
Batteriets type og kvalitet
Jo renere og højere kvalitet de anvendte stoffer er, jo mere kraftfuld og holdbar er batteriet.
Opbevaringstemperatur og opladningstilstand
Et opladningsniveau på 40 - 60%, når det opbevares et køligt sted, er ideelt. Opbevaring af et fuldt opladet batteri i et varmt miljø forkorter dets levetid drastisk.
Af- og pålæsningsdybde
Et batteri, der kun er 50% afladet og derefter opladet igen, skaber betydeligt flere cyklusser end ved 100% afladning. Det er også fordelagtigt ikke at oplade batteriet fuldt ud eller genoplade det med det samme, hvis kapaciteten reduceres.
Høje strømme
Inden for modelkonstruktion kræves høj opladning og endnu højere udladningsstrømme. De tilknyttede mekaniske og termiske belastninger på cellen har også en meget negativ effekt på antallet af cyklusser.
Hvad betyder tallene 18650 eller 14500?
Nummereringen giver information om batteriets form og størrelse.
Disse tal angiver typer lithiumbatterier. I tilfælde af 18650 betyder det, at LiIon-batteriet har en diameter på 18 mm og er 65 mm langt. Nul i slutningen beskriver den runde form af lithium-ion-batteriet.
Der er dog forskelle inden for 18650-serien.
Med nogle LiIon-batterier flugter plusstangen med huset, og med andre hæves den eller stikker ud. Alternativt er der også 18650 celler med åbne kabelender, der kan loddes på printkort eller udstyres med passende stik.
Hvad er et lithiumpolymerbatteri?
Med et lithiumpolymerbatteri eller LiPo-batteri er den ellers flydende elektrolyt i en fast til gelignende film på polymerbasis.
Dette muliggør konstruktion af flade celler, selvom en LiPo også kan have andre designs.
LiPo-batterier har ikke et solidt hus eller en metalkappe og er derfor meget lette. Dette er også grunden til, at LiPo-batterier er meget populære hos modelpiloter.
Dette gør dog også LiPos ekstremt følsom over for mekanisk skade. Disse batterier kan heller ikke klare temperaturer under 0°C og over 60°C.
LiPo batteri i fladt design til brug ved modelfremstilling.
Resume med fordele og ulemper
Lithium-ion-teknologi giver mange fordele, men må også kæmpe med ikke ubetydelige ulemper, som følgende oversigt viser:
Fordele:
- Meget høj energitæthed, som er væsentligt højere end nikkel-metalhydridbatterier.
- Signifikant højere spændingsniveau (3,3 - 3,8 V) sammenlignet med NiMH-batterier (1,2 V).
- Mindre design og lavere vægt sammenlignet med NIMH-batterier med samme kapacitet.
- Høj strømkapacitet og korte opladningstider er ideelle til brug i modelfremstilling eller i trådløse værktøjsmaskiner.
- Lav selvafladning betyder, at den kan bruges længe efter opladning.
- Nye batterier er klar til øjeblikkelig brug og behøver ikke dannes først.
- Der er ingen hukommelseseffekt (reduktion af den anvendelige kapacitet med minimal opladning og afladning).
Ulempe:
- Høj følsomhed overopladning. Egnede opladere skal bruges til opladningsprocessen, som nøjagtigt opretholder slutspændingen.
- Høj følsomhed over for dyb udledning. Applikationen skal have spændingsovervågning for at beskytte batteriet mod at blive afladet for dybt.
- Høj følsomhed over for for høje og for lave temperaturer. Den ideelle driftstemperatur er omkring 20 - 40°C. Ved højere og lavere temperaturer falder ydelsen.
- Lithium er et meget reaktivt og let antændeligt metal, der er svært at slukke i en nødsituation. Reaktionen med vand eller mekanisk beskadigelse genererer en hel del varme, og ud over kaustisk lithiumhydroxid produceres der let brændbart brint.
Med korrekt behandling er lithiumbatterier en sikker og stærk spændingskilde, hvis fordele langt opvejer ulemperne. Dette er også grunden til, at lithiumbatterier er meget populære hos enhedsproducenter. Når man dagligt beskæftiger sig med disse elektricitetssystemer, skal man også være opmærksom på de mulige risici.