Hoe werkt een lithium-ionbatterij?

Als drager van elektrische energie en stroombron voor veel apparaten kunnen we gerust stellen dat lithium-ionbatterijen essentieel voor ons zijn. Zonder dit zal onze wereld waarschijnlijk niet goed functioneren. Dus wat is een lithium-ionbatterij? En wat maakt het zo belangrijk?

Wat is een lithium-ionbatterij en hoe werkt het?

Lithium-ionbatterijen zijn oplaadbare batterijen, wat betekent dat ze voornamelijk afhankelijk zijn van de beweging van lithiumionen tussen positieve en negatieve elektroden. Tijdens het laden en ontladen wordt Li+ tussen twee elektroden geïntercaleerd en gedeïntercaleerd. Tijdens het opladen wordt Li+ van de positieve elektrode gedeïntercaleerd en vervolgens via elektrolyt in de negatieve elektrode ingebed, zodat de negatieve elektrode zich in een lithiumrijke staat bevindt. Bij het ontladen, vice versa.

Lithiumbatterij kan worden onderverdeeld in lithiumbatterij en lithium-ionbatterij. We gebruiken lithium-ionbatterijen voor onze dagelijkse gadgets zoals mobiele telefoons en laptops, maar in plaats daarvan noemen we ze meestal lithiumbatterijen. Over het algemeen gebruiken lithiumbatterijen materialen die lithium bevatten als elektroden, waardoor ze het icoon zijn van moderne krachtige batterijen. Echte lithiumbatterijen worden in ons dagelijks leven zelden gebruikt vanwege hun hoge veiligheidsrisico.

Voor- en nadelen van lithium-ionbatterijen

Voordelen

• Hoogspanning. De bedrijfsspanning van de enkele cel is zo hoog als 3,7-3,8V (3,2V voor lithiumijzerfosfaat), wat drie keer zo hoog is als die van Ni-Cd- en Ni-MH-batterijen.
• Grote specifieke energie. De werkelijke specifieke energie is ongeveer 555 Wh/kg, wat betekent dat de specifieke capaciteit van het materiaal meer dan 150 mAh/g kan bereiken (3-4 keer die van Ni-Cd, 2-3 keer die van Ni-MH), wat bijna 88% van zijn theoretische waarde is.
• Lange levensduur. Over het algemeen kan het meer dan 500 keer of zelfs meer dan 1000 keer worden opgeladen, en het lithiumijzerfosfaat kan meer dan 2000 keer bereiken.
• Kleine zelfontlading . Bij kamertemperatuur is de zelfontladingssnelheid van een volledig opgeladen Li-ion na een maand opslag ongeveer 2%, wat veel lager is dan Ni-Cd (dat is 25-30%) en Ni-MH (dat is 30-35%).
• Snel opladen. De capaciteit van 1C kan meer dan 80% van de nominale capaciteit bereiken na 30 minuten opladen, en die van een ferrofosforbatterij kan gedurende 10 minuten 90% van de nominale capaciteit bereiken.
• Werktemperatuur. De werktemperatuur is -25 tot 45 °C. Met de verbetering van elektrolyt en kathode wordt verwacht dat deze zal toenemen tot -40 tot 70 °C.

Nadelen

• Gelukkig ouder worden. In tegenstelling tot andere oplaadbare batterijen, zal de capaciteit van lithium-ionbatterijen langzaam afnemen. De mate van afname is afhankelijk van het aantal keren dat het wordt gebruikt en de temperatuur. Omdat hoge temperaturen destructief kunnen zijn (het batterijmateriaal zal worden afgebroken), is de functie gemakkelijker te implementeren in elektronische producten met een hoge bedrijfsstroom.
• Intolerantie voor overladen . Bij overbelasting worden overmatig ingebedde lithiumionen permanent geïmmobiliseerd in het rooster en kunnen ze niet worden vrijgegeven, wat resulteert in een korte levensduur van de batterij.
• Intolerantie voor overmatige ontlading. Tijdens overontlading de-intercaleert de elektrode te veel lithiumionen, wat resulteert in het instorten van het rooster en een kortere levensduur van de batterij.
• Veiligheidsproblemen. De organische elektrolyt die in lithium-ionbatterijen wordt gebruikt, zorgt ervoor dat de batterij bepaalde veiligheidsrisico's heeft, zoals verbranding of zelfs exploderen.

Toepassingen

Momenteel worden lithium-ionbatterijen voornamelijk gebruikt in de volgende gebieden.

Toepassing in elektronische producten 

Lithium-ionbatterijen kunnen kleiner en lichter worden gemaakt, zodat ze veel worden gebruikt in draagbare elektronische producten. Met de populariteit van mobiele telefoons, digitale camera's, camcorders, laptops en draagbare gameconsoles (PSP's), is de markt voor lithium-ionbatterijen snel gegroeid.

Toepassing op transportvoertuigen

Lithium-ionbatterijen hebben de voordelen van een goede energiedichtheid en vermogensdichtheid. Over het algemeen presteert het beter dan de andere batterijen, dus het wordt veel gebruikt in verschillende elektrische voertuigen, zoals elektrische fietsen en elektrische auto's.

Toepassing in de ruimtevaart  

In 2004 werden lithium-ionbatterijen gebruikt in Mars Lander en Rover. Daarnaast overwegen NASA's Space Exploration Agency en andere ruimteagentschappen het gebruik van lithium-ionbatterijen bij ruimtemissies. Momenteel is de primaire functie van lithium-ionbatterijen in de luchtvaart het bieden van ondersteuning voor lancering en vluchtcorrectie en grondoperaties.

Als je meer wilt weten over batterijen, neem dan gerust contact met ons op of laat een reactie achter. We horen graag van je.