Transcript Litiumjonbatteriet, Anders Reinholdsson, 2012-03

Batterikemi - Litiumjonbatteriet
Battery Status Module
Batterikemi - Litiumjonbatteriet
Battery Status Module
1(2)
Anders Reinholdsson
0736 – 16 42 64
[email protected]
Bakgrund
Litiumjonbatterier används idag i majoriteten av alla portabla enheter. Exempel är bärbara datorer,
mobiltelefoner, kameror och motordrivna verktyg. Batteritypen har även på senare tid börjat
användas mer inom bilindustrin.3 Det första kommersiella litiumjonbatteriet såldes av Sony 1991
och den globala marknaden uppskattades 2010 att uppgå till över 10 miljarder dollar.3
Litiumjonbatteriet är ett underhållsfritt batteri, till skillnad från många andra batterikemier. 5 Listan
med fördelar kan göras lång. Några av dem är: mycket hög energidensitet (omkring 300 Wh/l eller
150 Wh/kg), den högsta elektrokemiska potentialen av de kända batterikemierna (genomsnitt 3.7
Volt), möjlighet till hög urladdningseffekt (upp till 2C), innehåller inte tungmetaller, hög
cyklingstålighet, låg självurladdning, saknar minneseffekt, inget krav på när batteriet bör laddas och
kan återuppladdas till 80 % på under en timme.1, 5
Dessvärre har litiumjonbatteriet också några nackdelar. Till de mer omtalade ingår behovet av
skyddskretsar till batteriet för att hålla spänningsnivåer och strömmar inom säkra gränser,
restriktioner vid transport samt de är dyra att tillverka. De mindre omtalade nackdelarna är främst
litiumjonbatteriets tendens att åldras, dvs. att dess kapacitet permanent sjunker, även utan att
batteriet används. Ett fulladdat litiumjonbatteri tappar t.ex. 20 % av sin kapacitet efter ett år av
lagring i rumstemperatur.2 Vid förvaring av batteriet i t.ex. en bärbar dator är förhållandena ännu
mer ogynnsamma på grund av den högre temperaturen.
Litiumjon-kemin har en stor potential för framtida utveckling av energidensiteten. < lämplig
referens bör hittas >
Uppbyggnad
Litiumjonbatteriet är ett sekundärbatteri. Det är uppbyggt av en positiv- och negativ elektrod samt
en elektrolyt som finns i en separator mellan plattorna. Den positiva elektroden består av en
kombination av metall tillsammans med oxid eller fosfat. Vanliga kombinationer är litium - kobolt oxid (LiCoO2), litium - mangan - oxid (LiMn2O4), litium - järn - fosfat (LiFePO4) och litium - nickel
- mangan - kobolt - dioxid (LiNiMnCoO 2)3, 4. Den negativa elektroden består oftast av någon form
av kol, varav grafit (C6) är vanligast3, 4. Elektrolyten består av en blandning av flytande organiska
lösningar och litiumsalter3. Elektrolyten är fri från vatten eftersom litium reagerar kraftigt med
vatten. Detta medger också att litiumjonbatterier har högre energidensitet än andra batterikemier.
Traditionella litiumjonbatterier är cylindriska celler med ett poröst membran, kallat separator,
placerat i elektrolyten mellan den positiva och negativa elektroden. Separatorns uppgift är att
förhindra kontakt mellan elektroderna och därmed att elektrisk ström leds mellan den positiva och
negativa elektroden. För att batteriet ska fungera måste dessutom separatorn släppa igenom joner.
Skillnaden mellan litiumpolymer- och litiumjonbatterier ligger enbart i elektrolyten. 5
Litiumjonbatteriet använder sig av en flytande elektrolyt medan litiumpolymerbatteriet använder sig
1 Gold Peak Industries (Taiwan): Lithium Ion Technical Handbook, 2000.
2 How to Prolong Lithium-based Batteries, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries (Acc 2012-03-25).
3 Michael Root: The TAB Battery Book, McGraw-Hill, sid 175-182, 2011.
4 Lithium-based Batteries, Battery University, 2010, http://batteryuniversity.com/learn/article/lithium_based_batteries
(Acc 2012-03-21).
5 Is Lithium-ion the Ideal Battery?, Battery Univerity, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/is_lithium_ion_the_ideal_battery (Acc 2012-03-25).
Anders Reinholdsson
Framtaget 2012-03-21. Reviderat 2012-03-26.
Batterikemi - Litiumjonbatteriet
Battery Status Module
2(2)
av en torr fast polymerelektrolyt. Denna elektrolyt är en gel som bildas när separatorn kommer i
kontakt med elektrolyten vid tillverkningen. På grund av detta kan litiumpolymerbatterier tillverkas
i många olika former och inte enbart solida cylindriska celler som fallet med litiumjonbatteriet.6
Icke-ideala faktorer
Ofta används modellen med en vattenbehållare för att förklara hur ett batteri fungerar. Vattennivån
representerar då hur mycket energi som finns lagrat kemiskt i batteriet samt flöden in och ut ur
batteriet motsvarar ström in och ut ur batteriet. En sådan här modell fungerar som princip, men
stämmer inte väl överens med batterier i verkligheten, speciellt vid stora strömmar.
Det finns ett antal olika faktorer som gör att tillgänglig energi i ett batteri inte är lika mycket som
den energi som tillförs vid uppladdningen. 7 Några av dessa är laddningsverkningsgrad,
urladdningshastighet och -pulskvot, spänningskaraktäristik, självurladdning och inre resistans.
Dessa faktorer påverkas i sin tur av bland annat ålder, slitage och temperatur.
För att bättre uppskatta kapaciteten hos ett batteri måste hänsyn tas till ett antal av dessa faktorer.
Ett sätt att göra det är att skapa modeller av ett icke-idealt batteri. Detta är svårt eftersom det inte är
helt känt hur dessa faktorer påverkar kapaciteten.7
W. Peukert var en tysk vetenskapsman som 1897 presenterade en formel som visar hur kapaciteten i
ett bly-syrabatteri beror av urladdningsströmmen och en konstant. 8 Formeln kom att kallas Peukerts
lag och visar att tillgänglig kapacitet sjunker exponentiellt med urladdningsströmmens storlek.
Konstanten i formeln varierar beroende på batterityp och ålder. Ett värde nära 1 motsvarar ett nästan
idealt batteri medan högre värden motsvarar mindre effektiva batterier.
Funktion
Det första kommersiella litiumjonbatterierna var av typen litium-kobolt-oxid (LiCoO 2).3 Namnet
anger vilka ämnen som finns i den positiva elektroden. Den negativa elektroden består vanligtvis av
grafit (C6). En elektrolyt finns placerad mellan elektroderna. Dess uppgift är att möjliggöra transport
av laddningsbärare, joner.
När ett nytillverkat batteri första gången laddas upp tillförs en ström mot den positiva elektroden.
Detta driver elektroner från den positiva till den negativa elektroden. För att jämvikt skall uppnås
leds positivt laddade litiumjoner (Li+), katjoner, över till den negativa elektroden av grafit, via
elektrolyten. Processen kallas interkalering (eng. intercalation) och innebär att litiumjoner skjuts in i
grafitens lager.3 Vid laddning undergår den positiva elektroden oxidation (avgivande av elektroner)
och är därmed anod. Den negativa elektroden undergår samtidigt reduktion (upptagande av
elektroner) och är därmed katod. I ett fulladdat batteri finns alltså en mängd litiumjoner
interkalerade i grafiten.
Vid urladdning av ett batteri sker det omvända. En ström drivs från den positiva elektroden till den
negativa. Detta driver elektroner från den negativa elektroden till den positiva. För att jämvikt skall
uppnås leds positivt laddade, interkalerade i grafiten, litiumjoner över via elektrolyten till den
positiva elektroden. Processen kallas deinterkalering (eng. deintercalation) och innebär att
litiumjoner lämnar grafiten.3 Vid urladdning undergår den positiva elektroden reduktion
(upptagande av elektroner) och är därmed katod. Den negativa elektroden undergår samtidigt
oxidation (avgivande av elektroner)och är därmed anod.
6 Li-polymer Battery: Substance or Hype?, Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/the_li_polymer_battery_substance_or_hype (Acc 2012-03-25).
7 Thomas L. Martin, Daniel P. Siewiorek: Non-ideal Battery Properties and Low Power Operation in Wearable
Computing, Institute for Complex Engineered Systems, Carnegie Mellon University, 1999.
8 Calculating the Battery Runtime (Peukert Law), Battery University, 2010,
http://batteryuniversity.com/learn/article/calculating_the_battery_runtime (Acc 2012-03-25).
Anders Reinholdsson
Framtaget 2012-03-21. Reviderat 2012-03-26.