Batterier, uddybende
Kemien i et litium ion batteri
Litium ion batterier (ofte benævnt Li-ion batterier) er et opladeligt batteri, hvor energien opnås når litium ioner i en elektrolytvæske bevæger sig mellem en anode og en katode. Under opladning bevæger litium ionerne sig fra anoden til katoden og omvendt, når batteriet aflades bevæger litium ionerne sig fra katoden til anoden. Litium ionerne bevæger sig altså frem og tilbage mellem katode og anode i elektrolytvæsken, og energien frigives altså når litium ionerne bevæger sig mod anoden. Anoden er næsten altid lavet af grafit mens katoden kan være lavet af flere materialer, f.eks. koboltoxid (mest udbredt), litium jern fosfat eller magnesiumoxid. Li-ion batterier må endelig ikke forveksles med litium batterier hvor anoden er lavet af metallisk litium. Denne type batterier er ret ustabile og farlige og benyttes ikke mere af sikkerhedsmæssige hensyn.
Lidt historie om Li-ion batterier
De første Li-ion batterier blev udviklet i 1970’erne af M.S. Whittingham som brugte en anode af metallisk litium og en anode bestående af titanium sulfid til at producere strøm. Batterier med metalliske litium anoder udgjorde imidlertid en vis sikkerhedsrisiko (de kunne eksplodere) og var ikke velegnede til kommerciel brug før Li-ion batteriet blev opfundet af Bell labs (USA), som udviklede en velegnet grafit anode, der kunne erstatte de farligere metalliske litiumstænger. De første kommercielle Li-ion batterier blev først i 1991 produceret af Sony på grundlag af endnu et videnskabeligt arbejde som forbedrede katoderne i Li-ion batterierne. Udviklingen af Li-ion
batterier er altså relativ ny og under stadig forbedring, da denne batteri type sammen med f.eks. litium polymer batterier vil kunne udkonkurrere de noget ældre nikkel type batterier, og snart vil revolutionere hele transportbranchen.De mest almindelige og udbredte Li-ion batterier er baseret på katoder af kobolt oxid og holder typisk 500-800 opladninger.
Fordele og ulemper ved Li-ion batterier
Li-ion batterier bliver stadigt oftere brugt i elektroniske batterikrævende apparater, på grund af Li-ion batteriernes mange fordele:
- Li-ion batterier har et lavt energi/vægt forhold
Li-ion batterier er lavet af de lette grundstoffer Litium (Li) og Kulstof (C). Da litium også er et særdeles reaktivt grundstof resulterer i et højt energi/vægt forhold. Et typisk Li-ion batteri indeholder således ca. 150 Watt timer (Wh) pr. kg batterimateriale. Sammenlignes med NiMH batterier (Nikkel Metal Hydrid) indeholder disse kun 100 Wh/kg (oftest kun 60-70 Wh) mens et gammeldags blysyre batteri (som kendes fra bilbranchen) kun indeholder 25 Wh/kg. Et Li-ion batteri er således 6 gange lettere end blysyre batterierne i forhold til dets kapacitet. Hvor meget strøm et Li-ion batteri kan indeholde afhænger af batteriets spænding (Volt, V) og dets strømkapacitet (Ampere timer, Ah). Mængden af strøm angives i Watt timer (Wh) og beregnes som produktet af spændingen og kapaciteten (V x A = W). Et 36 Volt Li-ion batteri med 10 Amperetimers kapacitet (10 Ah) vil således have strøm svarende til 360 Watt timer (0,36 kWh), og batterimaterialet vil typisk veje 2,5 kg - Li-ion batterier har ingen hukommelses effekt og kan således oplades når som helst
Manglende hukommelses effekt betyder, at man ikke behøver at aflade batteriet helt før det oplades for undgåelse af permanent hukommelses tab. Dette er et særdeles praktisk forhold for især transportmidler, da det nærmest er umuligt at afstemme opladningerne med de afstande man typisk har.
Man kan desuden ”klatlade” batteriet, dvs. give batteriet en kortere opladning som man nu har tid til. I nedenstående kurve kan du se, hvor hurtigt et Ebike Li-ion batteri oplades, både fra ”tom” tilstand, og ved klatladning.
Eksempel: Er batteriet tomt for strøm, kan det på 1 time oplades ca. 30%, på 2 timer oplades ca. 60 % mens en fuld opladning tager 5 timer. Efter 4 timer er batteriet dog opladet 95 %, så den sidste time opnås ikke megen ekstra opladningskapacitet.
- Li-ion batterier har et lavt energitab, når det ikke benyttes
Li-ion batterier taber kun typisk 5 % per måned (temperaturafhængigt) i forhold til et NiMH batteri, som typisk taber 20 % per måned. Dette er fordelagtigt, vis elcyklen ikke benyttes regelmæssigt. Da vil der næsten altid vil være strøm på batteriet, når elcyklen skal bruges. - Li-ion batterier kan klare mange opladninger
Li-ion batterier kan oplades hundredvis af gange uden at tabe nævneværdig kapacitet. Præcist hvor mange opladninger batteriet kan klare er svært at sige, da det afhænger af hvordan batteriet er blevet behandlet (mht. stød, slag, temperaturer mv.) og hvordan det er blevet opbevaret. Typisk siges det, at et Li-ion batteri ideelt set kan klare op til 800 opladninger hvorefter dets kapacitet vil være mindre en 80 % end det var, da det var nyt. Batterierne vil dog gradvist tabe lidt kapacitet med tiden, hvilket primært afhænger af temperaturen, hvormed de opbevares. Jo koldere opbevaring des længere varig holdbarhed. Når batteriet ikke benyttes, skal det derfor altid stilles køligt, når det er muligt. Når et Li-ion batteri henstilles i længere tid skal det være halvt opladet (ca. 50-60 %) og have en times genopladning hver 2. måned. Dermed vil dets varige kapacitets tab blive minimalt.
En af ulemperne ved litium ion batterier er nemlig, at batterierne taber kapacitet med tiden – uanset om de bruges eller ej. Ved en opbevaring ved 25 graders C vil det varige kapacitets tab udgøre 20 % om året!
Opbevares batteriet ved lavere temperaturer vil kapacitets tabet blive endnu mindre: 6 % ved 0 grader C mens det ved 40 grader C taber hele 35 % om året. Men hvis batteriet opbevares halvt opladet 40-60 % opladet, bliver kapacitets tabet langt mindre: 2 %, 4 % og 15 % ved henholdsvis 0, 25 og 40 graders C. Det er altså en stor fordel ikke at have sit batteri fuldt opladet, når det i en periode ikke benyttes, og man skal aldrig have opladeren konstant tilsluttet til batteriet.
Oversigt over et Li-ion Batteri’s varige kapacitets tab ved længerevarende opbevaring.
| Opbevarings temperatur af Li-ion batteri | 40% opladt Li-ion batteri | 100% opladt eller afladt Li-ion batteri |
|---|---|---|
| 0 ºC | 2% tab efter 1 år | 6% tab efter 1 år |
| 25 ºC | 4% tab efter 1 år | 20% tab efter 1 år |
| 40 ºC | 15% tab efter 1 år | 35% tab efter 1 år |
| 60 ºC | 25% tab efter 1 år | 40% tab efter 3 måneder! |