Lesezeit: 3 Minuten

Lithium-ion batterier er p.t. de mest kraftfulde energilagringsenheder, der findes på markedet. De har en høj energitæthed, holder i lang tid og kræver minimal vedligeholdelse, og deres kapacitet forbliver den samme, selv efter lange driftsperioder. Du har også mulighed for mellemladninger, så du kan bruge de innovative batterier i flerskift. Dette er muligt grundet strukturen og de materialer, der bruges i batterierne. Men hvad er et lithium ion batteri? Lithium ion batterier fungerer efter et simpelt princip: Den elektriske energi lagres i lithium ion batterierne ved en kemisk proces og kan bruges i f.eks. elektriske stablere.

Lille og kraftfuld – opbygningen af lithium ion batterier

Et lithium ion batteri består af mange enheder. Hver af disse enheder har den samme struktur og indeholder følgende komponenter:

  • Positive elektroder: Katoden i et lithium batteri består af lithiummetaloxid, som kan indeholde varierende mængder af nikkel, mangan og kobolt. Metaloxiderne kaldes også nogle gange for overgangsmetaller.
  • Negative elektroder: Anoden er som regel lavet af grafik.
  • Elektrolyt: Vandfri elektrolyt er også indbygget, således lithiumionerne kan bevæge sig rundt som ladningsbærere. Her opløses salte som f.eks. lithiumhexafluorphosphat i et aprotisk opløsningsmiddel såsom diethylcarbonat. På dette tidspunkt anvendes en polymer fremstillet af polyvinylidenfluorid eller polyvinylidenfluorid-hexafluorpropen.
  • Separator: For at undgå kortslutninger installeres en separator af nonwovens eller polymere folier mellem elektroderne. Separatoren er permeabel for lithiumioner og kan absorbere store mængder af ionerne.

Selve navnet på lithium-ion batterier kommer fra designet, som gør det muligt for lithium at migrere frem og tilbage i ioniseret form mellem elektroderne. Afhængigt af de anvendte elektrodematerialer er lithium ion batterier opdelt i forskellige grupper. Funktionalitet er den samme, men energitætheden, cellespændingen, temperaturfølsomheden, kapaciteten og den tilladte opladnings- og afladningsstrøm kan variere på grund af brugen af forskellige overgangsmetalioner. Lithium ion batterier kan konstrueres som:

  • Lithium-Polymer-batteri: En polymerbaseret film med en geleagtig konsistens anvendes som elektrolyt. Strukturen gør det muligt at fremstille batterierne ganske små (under 0,1 mm tykke) og i forskellige designs. De har en energitæthed på op til 180 Wh / kg og er således meget kraftfulde, men dog mekanisk, elektrisk og termisk følsomme.
  • Lithium-Cobaltdioxid-batteri: Den positive elektrode af dette batteri består af lithiumkoboltdioxid. Anoden er fremstillet af grafit. Disse batterier er tilbøjelige til termisk løb, når de overbelastes.
  • Lithium-Titanat-batteri: Her er de negative elektroder ikke lavet af grafit, men derimod af sintret lithium-titanium spinel. Det muliggør en hurtig opladningskapacitet samt drift ved selv meget lave temperaturer helt ned til -40 ° Celsius. De positive elektroder er fremstillet af titaniumoxid.
  • Lithium-Eisenphosphat-batteri: Celler af denne type batteri har hver en katode af lithiumernphosphat. Elektrolytten er i fast form. Batteriet har en lavere energitæthed på op til 110 Wh / kg, men den har til gengæld ikke tendens til termisk løb i tilfælde af mekanisk skade.

Opladning og afladning – sådan fungerer lithium-ion batterier

Funktionaliteten af lithium ion batteriers er primært baseret på den konstante bevægelse af ioniseret lithium mellem elektroderne. Lithium ion strømmen balancerer den eksterne strøm ved opladning og afladning af batterierne. Sådan elektroderne forbliver elektrisk neutrale:

Struktur og funktion af et lithium-ion-batteri

1.       Afladning

Hvis batteriet er afladt – den lagrede energi bruges af en enhed – afgiver lithiumatomerne hver en elektron på den negative elektrode. Denne returneres til den positive elektrode via det eksterne kredsløb. I samme trin bevæger lithiumioner sig i det samme antal fra den negative elektrode gennem elektrolytten og separatoren til den positive elektrode. Elektroderne absorberes ved den positive elektrode af ioniserede overgangsmetalioner. Disse kan være forskellige afhængigt af typen af batteri. I modsætning til lithiumioner er de ubevægelige.

2.       Opladning

Når batteriet oplades, bevæger de ikke-ioniserede lithiumatomer sig fra den positive elektrode gennem separatoren tilbage til den negative elektrode. Her lagres de mellem grafitmolekyler. Denne proces kaldes for interkalering og udløses ved opladning med konstant strøm, indtil batteriet er opladt. Når opladningsspændingen er nået, opretholdes den, mens ladestrømmen falder. For at cellerne ikke blive beskadiget eller der opstår overophedning (Thermal Runway), kræver de fleste lithium-ion batterier, at en opladningsbeskyttelseselektronik er installeret. Denne er tilpasset celletypen og sikrer, at der ikke sker hverken overopladning eller dyb afladning.

Separatoren – væsentlig for sikker drift af lithium-ion-batterier

Separatoren indbygget i et lithium-ion-batteri styrer og sikrer de elektroniske reaktioner inde i selve batteriet. På den ene side isolerer den de to elektroder fra hinanden, så interne kortslutningen ikke kan ske. Samtidig sikrer det særlige gennemtrængelige design, at kun lithiumioner kan komme igennem og dermed bevæge sig mellem de negative og positive elektroder. Derudover sikrer separatoren gasudveksling i de lukkede lithiumbatterier.

For dette skal komponenten være fremstillet af mikroporøse membraner, som kan variere afhængigt af batterikapacitet og størrelse. Til dette bruges enten polymerfolier (som i lithiumpolymerbatterier) eller varmebestandige, keramiske separatorer. Kombinationen af fiberdug med en keramisk belægning gør separatorer fleksible, og samtidig kan de modstå temperaturer op til 700° C.

Billedkilde:
© gettyimages.de – alengo