Ioniske litiumbatterier

Ioniske litiumbatterier og -celler har blitt stadig mer populære i elektroniske konstruksjoner. Med en cellespenning på over 3 volt kan disse brukes i de fleste batterienheter. Ioniske litiumbatterier består av en anode og en katode som er adskilt av en separator og elektrolytt. Når de fungerer, beveger litiumioner seg mellom elektrodene gjennom en oksidasjonshalvreaksjon som genererer frie elektroner som beveger seg langs en anodestrømkollektor til anodestrømkollektoren.

Langvarig kraft

Ioniske litiumbatterier er mye lettere, kraftigere og mer holdbare enn tilsvarende blysyrebatterier. I tillegg kan de oppbevares enten stående eller på siden, samtidig som de holder full ladning - noe som sparer plass på verktøybenken eller garasjegulvet, samtidig som du slipper å slite ryggen med å transportere tyngre batterier som ikke holder på ladningen like effektivt eller holder på strømmen like lenge.

Litiumioner beveger seg mellom elektrodene ved utladning og lading via interkalering og ekstraksjon, en prosess som sikrer at de fordeles jevnt over begge elektrodene uten volumendring, noe som fører til lave spenninger og utmerket ytelse. Grafittanoder gjør at litiumioner fysisk kan settes inn mellom 2D-lag av grafen uten betydelig volumutvidelse under lading eller utladning. Andre materialer, som silisium, kan romme et mye større antall, men opplever betydelig utvidelse under lading eller utladning, noe som reduserer kapasiteten og syklusstabiliteten betydelig.

Litium-ion-batterier skiller seg ut med sin ekstremt lave selvutladningshastighet på bare 1,5% til 2% per måned - noe som gjør dem til et utmerket alternativ for nødstrømsystemer, campingturer og radioamatører. Blysyre- og nikkelbaserte batterier kan miste opptil 10% hver måned når de ikke brukes, mens ioniske litiumbatterier har den fordelen at de forblir brukbare selv under ugunstige temperaturforhold.

Høy energitetthet

Ioniske litiumbatterier har blitt det foretrukne valget for å drive mange moderne elektroniske enheter på grunn av kombinasjonen av faktorer - relativt lave kostnader, stor ladelagringskapasitet og resirkuleringsvennlighet - som gjør dem til bransjestandarden for batterilagring av høy energi.

Litiumionebatterier bruker en ekstern krets for å levere elektrisk energi ved å tilføre en ekstern spenning til hver celle, noe som tvinger elektroner fra den negative elektroden gjennom elektrolytten og over på den positive elektroden, samtidig som litiumioner beveger seg fra den positive elektroden til den negative elektroden gjennom en interkaleringsprosess.

Utladingen skjer når elektroner og litiumioner separeres og gjenforenes med sine respektive elektriske ladninger i katoden, for deretter å passere gjennom elektrolytten til de når anoden, der de lades opp igjen. Denne reversible prosessen skjer på grunn av litiums lille atomradius og høye standard reduksjonspotensial, noe som gjør det svært reaktivt med ulike materialer.

Kommersielle LIB-er baserer seg ofte på interkalasjonsanoder av grafitt for å lagre litiumioner mellom individuelle 2D-lag som danner bulkgrafitt, og den teoretiske ladekapasiteten er anslått til 339 mAh g-1, noe som gir raske lade- og utladningssykluser. Dessverre fører den lange diffusjonsveien for litiumioner til at spenningen forsvinner. For å løse dette problemet utforsker forskerne ulike innsettingskatoder som inneholder overgangsmetallalkogenider med større ioneradius enn litium.

Lav selvutladningshastighet

Batterier vil naturlig miste noe av ladningen sin over tid når de ikke brukes, en effekt som kalles selvutlading. Denne hastigheten avhenger av faktorer som temperatur, alder og lagringsforhold - ioniske litiumbatterier har lav selvutladningshastighet sammenlignet med andre batterityper, og kan derfor vare lenger før de må skiftes ut.

Ioniske litiumbatterier lagrer litiumioner ved hjelp av interkalering, som innebærer at de settes inn i bulkgrafitt via lag av karbongitter som danner bulkgrafitt og kan reverseres når ladingen finner sted. Denne prosessen reduserer anodestørrelsen og gjør det mulig å lagre flere litiumioner.

Når batteriene står ubrukt i lengre perioder, danner anoden en SEI-film (Solid Electrolyte Interface) på grafittoverflaten, som gradvis regenereres hver gang de lades opp. Denne prosessen kan også fremskyndes ved høyere temperaturer eller ved å utsette anoden for fuktighet.

Tynne SEI-lag kan føre til mikrokortslutninger som forringer batteriets ytelse og levetid, mens fuktighet kan føre til lekkasje av elektrolyttløsningsmiddel eller vann, noe som kan skape ubalanse i de kjemiske reaksjonene og utgjøre en brannrisiko.

Miljøvennlig

Miljøpåvirkningen fra ioniske litiumbatterier avhenger av råmaterialene. Litium er det mest brukte ikke-metallet og har derfor lav toksisitet for både mennesker og økosystemer, men utvinningen av litium kan by på utfordringer og potensielt skape miljøskader. Litium utvinnes vanligvis fra saltsletter som forurenser vannkilder og skaper økologiske problemer i omkringliggende områder. I tillegg er gruveprosessene ofte farlige og arbeidsintensive, og det har til og med blitt rapportert om at barnearbeid har blitt brukt under enkelte operasjoner.

Mens forbrukerne vanligvis kaster utladede litium-ion-batterier på søppelfyllinger, er resirkulering av disse cellene en optimal løsning. Litiumionebatterier inneholder nemlig edle metaller som må resirkuleres på en forsvarlig og trygg måte. Dessverre er resirkuleringsprosessene kompliserte og ofte kostbare. Ettersom disse batteriene inneholder litium-koboltoksid og andre kjemikalier som kan reagere med oksygen og føre til at de tar fyr, bør de pakkes inn i plast og teipes sammen for å unngå at polene kommer i kontakt med hverandre eller metallgjenstander. På denne måten unngår man også at polene kommer i berøring med hverandre eller blir eksponert. Etter hvert som etterspørselen etter litiumionebatterier øker, bør produsentene utforske design uten sjeldne metaller for å bidra til å redusere avfallet og forurensningen som forårsakes av utvinning av disse mineralene. I tillegg er det viktig å øke bevisstheten om resirkulering av disse batteriene.