Ioniske litiumbatterier

Ioniske litiumbatterier og -celler er blevet mere og mere populære i elektronisk design. Med en cellespænding på over 3 volt kan de bruges i de fleste batterienheder. Ioniske litiumbatterier består af en anode og en katode, der er adskilt af en separator og en elektrolyt. Når de fungerer, bevæger litiumioner sig mellem elektroderne gennem en oxidationshalvreaktion, der genererer frie elektroner, som bevæger sig langs en anodestrømkollektor til anodestrømkollektoren.

Langvarig kraft

Ioniske litiumbatterier er meget lettere, kraftigere og mere holdbare end deres blysyrebatterier. Desuden kan de opbevares enten stående eller på siden, mens de stadig holder på en fuld opladning - det sparer plads på værktøjsbænke eller garagegulve, samtidig med at man undgår rygbelastninger forårsaget af transport af tungere batterier, der ikke holder på opladningen lige så effektivt eller holder på strømmen lige så længe.

Litiumioner bevæger sig mellem elektroderne ved afladning og opladning via interkalering og ekstraktion, en proces, der sikrer, at de fordeles jævnt over begge elektroder uden volumenændring, hvilket fører til lave spændinger og fremragende ydeevne. Grafitanoder gør det muligt at indsætte litiumioner fysisk mellem 2D-lag af grafen uden betydelig volumenudvidelse under opladning eller afladning; andre materialer, som f.eks. silicium, kan rumme et meget større antal, men oplever en betydelig udvidelse under opladning eller afladning, hvilket sænker kapaciteten og cykelstabiliteten betydeligt.

Litium-ion-batterier skiller sig ud med deres ekstremt lave selvafladning på kun 1,5% til 2% pr. måned - hvilket gør dem til et fremragende valg til nødstrømsanlæg, campingture og radioamatører. Blysyre- og nikkelbaserede batterier kan miste op til 10% hver måned, når de ikke bruges; i sammenligning med dette har ioniske litiumbatterier den fordel, at de forbliver brugbare selv under ugunstige temperaturforhold.

Høj energitæthed

Ioniske litiumbatterier er blevet det foretrukne valg til at drive mange moderne elektroniske enheder på grund af deres kombination af faktorer - relativt lave omkostninger, store opladningskapaciteter og genbrugsvenlighed - hvilket gør dem til industristandarden for batterilagring med høj energi.

Litiumionbatterier bruger et eksternt kredsløb til at levere elektrisk energi ved at tilføre en ekstern spænding til hver celle, hvilket tvinger elektroner fra den negative elektrode gennem elektrolytten og over på den positive, samtidig med at litiumioner bevæger sig fra den positive elektrode til den negative gennem interkaleringsprocessen.

Afladning sker, når elektroner og litiumioner adskilles og genforenes med deres respektive elektriske ladninger i katoden og derefter passerer gennem elektrolytten, indtil de når anoden, hvor de oplades igen. Denne reversible proces sker på grund af litiums lille atomradius og høje standardreduktionspotentiale, hvilket gør det meget reaktivt med forskellige materialer.

Kommercielle LIB'er er ofte afhængige af grafitinterkalationsanoder til at lagre litiumioner mellem individuelle 2D-lag, der danner bulkgrafit, med dens teoretiske opladningskapacitet anslået til 339 mAh g-1, hvilket giver hurtige opladnings- og afladningscyklusser. Men desværre resulterer den lange diffusionsvej for litiumioner i spændingsfald. For at bekæmpe dette problem undersøger forskere forskellige indsættelseskatoder, der indeholder overgangsmetalkalcogenider med større ionisk radius end litium.

Lav selvafladningshastighed

Batterier vil naturligt miste noget af deres opladning over tid, når de ikke bruges, en effekt kendt som selvafladning. Denne hastighed afhænger af faktorer som temperatur, alder og opbevaringsforhold - ioniske litiumbatterier har lave selvafladningshastigheder sammenlignet med andre batterityper og kan derfor holde længere, før de skal udskiftes.

Ioniske litiumbatterier lagrer litiumioner ved hjælp af interkalering, hvilket indebærer, at de indsættes i bulkgrafit via lag af kulstofgitre, der danner bulkgrafit og kan vendes, når opladningen finder sted. Denne proces reducerer anodestørrelsen og gør det muligt at lagre flere litiumioner.

Når batterier ikke bruges i længere tid, danner anoden en SEI-film (solid electrolyte interface) på grafitoverfladen, som gradvist regenereres, hver gang de oplades; denne proces kan også fremskyndes ved højere temperaturer eller ved at udsætte anoden for fugt.

Tynde SEI-lag kan føre til mikrokortslutninger, som forringer batteriets ydeevne og levetid, mens fugt kan forårsage lækage af elektrolytopløsningsmiddel eller vand, hvilket fører til ubalance i de kemiske reaktioner og skaber en brandrisiko.

Miljøvenlig

Miljøpåvirkningen fra ioniske litiumbatterier afhænger af deres råmaterialer. Litium er det hyppigst anvendte ikke-metal og har som sådan lav toksicitet for både mennesker og økosystemer, men udvindingen af det kan give udfordringer og potentielt skabe miljøskader; det udvindes typisk fra saltsletter, som forurener vandkilder og skaber økologiske problemer i de omkringliggende områder; desuden er udvindingsprocesser ofte farlige og arbejdskrævende, og der har endda været rapporter om børnearbejde under nogle operationer.

Mens forbrugerne typisk smider døde litium-ion-batterier på lossepladsen, er genbrug af disse celler en optimal løsning. Litium-ion-batterier indeholder nemlig ædelmetaller, som kræver korrekt og sikker genanvendelse. Men desværre er genbrugsprocesserne komplekse og ofte dyre. Da disse batterier indeholder litium-kobolt-oxid og andre kemikalier, som kan reagere med ilt og få dem til at bryde i brand, skal de pakkes ind i plastik og tapes sammen for at undgå, at terminalerne rører hinanden eller andre metalgenstande. På den måde undgår man også, at terminalerne rører hinanden eller bliver blottet. Efterhånden som efterspørgslen på litium-ion-batterier stiger, bør producenterne udforske design uden sjældne metaller for at mindske affald og forurening forårsaget af udvinding af disse mineraler. Desuden er det vigtigt at øge den offentlige bevidsthed om genbrug af disse batterier.