Lesezeit: 3 Minuten

Litiumjonbatterier är en av de mest kraftfulla energilagringsenheterna på marknaden. Deras höga energitäthet gör dem hållbara och kräver väldigt lite underhåll, med en kapacitet som förblir konstant även under långa driftsperioder. Den struktur och de material som används i batterierna gör att mellanladdning är möjlig när som helst. Litiumjonbatterier fungerar enligt en princip, där elektrisk energi lagras genom en kemisk process, vilket gör dem till ett lämpligt alternativ för att driva enheter som elektriska ledstaplare.

Kompakt kraftpaket – strukturen av litiumjonbatterier 

Ett litiumjonbatteri består av många enskilda celler med samma struktur. Det innehåller följande komponenter:

  • Positiv elektrod: Katoden består av litiummetalloxid som kan innehålla varierande mängder nickel, mangan och kobolt. Dessa metalloxider kallas också övergångsmetaller.
  • Negativ elektrod: Anoden består vanligtvis av grafit.
  • Elektrolyt: För att litiumjonerna ska kunna röra sig som laddningsbärare i cellen ingår även vattenfria elektrolyter. Dessa innehåller salter som t.ex. litiumhexafluorofosfat upplöst i ett aprotiskt lösningsmedel, t.ex. dietylkarbonat. I litiumpolymerbatterier används också en polymer av polyvinylidenfluorid eller polyvinylidenfluorid-hexafluorpropen vid denna punkt.
  • Separator: För att förhindra kortslutningar installeras en separator av nonwovens eller polymerfilmer mellan elektroderna. Separatorn är genomsläpplig för litiumjoner och kan absorbera stora mängder.

Konstruktionen gör det möjligt för litium att röra sig fram och tillbaka mellan elektroderna i joniserad form. Beroende på vilka elektrodmaterial som används, delas litiumjonbatterier in i olika grupper. Funktionen är densamma i alla, men energitäthet , cellspänning, temperaturkänslighet, kapacitet samt laddningskapacitet och urladdningsström kan variera med olika övergångsmetalljoner.

Strukturen för ett litiumjonbatteri kan tillverkas på följande sätt: 

  • Litium-polymer-batterier: Den elektrolyt som används, är en polymerbaserad film med en gelliknande konsistens. Denna struktur gör det möjligt att tillverka särskilt små batterier (mindre än 0,1 mm tjocka) och i olika utföranden. Med en energitäthet på upp till 180 Wh/kg är de mycket kraftfulla, men mekaniskt, elektriskt och termiskt känsliga.
  • Litiumkoboltdioxidbatterier: Den positiva elektroden i denna typ av batterier består av litiumkoboltdioxid. Anoden är tillverkad av grafit. Dessa typer av batterier är känsliga för termisk överbelastning när de är överbelastade.
  • Litiumtitanatbatterier: De negativa elektroderna är inte gjorda av grafit utan av sintrad litiumtitan-spinell. Dessa batterier har en mycket snabb laddningskapacitet och kan användas vid temperaturer så låga som -40 °C. De positiva elektroderna är återigen tillverkade av litiumtitanoxid.
  • Litiumjärnfosfatbatterier: Cellerna har varsin katod av litiumjärnfosfat. Elektrolyten finns i fast form. Dessa batterier har en lägre energitäthet på upp till 110 Wh/kg, men de är inte benägna att gå över till termisk drift om de skadas mekaniskt. Kurvan för urladdningsspänningen visar på en minneseffekt, men den är mycket låg jämfört med Ni-Cd-alternativ.

Laddning och urladdning – hur litiumjonbatterier fungerar

Litiumjonbatteriernas funktion bygger till stor del på den konstanta rörelsen av joniserat litium mellan elektroderna. Litiumjonflödet balanserar det externa strömflödet under laddning och urladdning så att elektroderna själva förblir elektriskt neutrala.

Funktion och uppbyggnad av ett litiumjonbatteri

1.       LÄSNING

Om batteriet laddas ur, t.ex. när energi används av en apparat, avger litiumatomerna vid den negativa elektroden var och en, en elektron. Denna elektron återförs till den positiva elektroden via den externa kretsen. I samma process rör sig samma antal litiumjoner från den negativa elektroden genom elektrolyten och separatorn till den positiva elektroden. Elektronerna tas upp av den positiva elektroden genom starkt joniserade övergångsmetalljoner. Dessa kan vara olika beroende på vilken typ av batteri det är. Till skillnad från litiumjoner är de inte rörliga.

2.       LADDNING

När ackumulatorcellerna laddas rör sig de icke-joniserade litiumatomerna från den positiva elektroden genom separatorn tillbaka till den negativa elektroden. Här är de insatta mellan grafitmolekyler. Processen kallas också interkalering och utlöses genom laddning med en konstant ström tills den nominella strömmen uppnås. När slutspänningen för laddning uppnås bibehålls den medan laddningsströmmen minskar. För att förhindra skador på cellerna eller överhettning (thermal runaway) är de flesta litiumjonbatterier utrustade med laddnings- eller skyddselektronik. Denna är anpassad till cellernas utformning och säkerställer att varken överladdning eller djup urladdning kan ske.

Separatorn – viktig för att litiumjonbatterier ska fungera säkert

Den inbyggda separatorn kontrollerar och skyddar de elektrokemiska reaktionerna i litiumjonbatterier. Den fungerar genom att isolera de två elektroderna från varandra, så att interna kortslutningar inte kan uppstå. Samtidigt säkerställer den speciella genomsläppliga konstruktionen att endast litiumjoner kan passera igenom och förflytta sig mellan den negativa och den positiva elektroden. Dessutom säkerställer separatorn gasutbytet i de slutna litiumbattericellerna.

Därför måste separatorkomponenterna vara tillverkade av mikroporösa membran, vilket kan variera beroende på batteriets effekt och storlek. För detta ändamål används antingen polymerfilmer (som i litiumpolymerbatterier) eller värmebeständiga keramiska separatorer. Genom att kombinera nonwovens med en keramisk beläggning blir separatorerna särskilt flexibla och samtidigt temperaturbeständiga upp till 700 °C.

Bildkälla:
© gettyimages.de – alengo