Ionische lithiumbatterijen

Ionische lithiumbatterijen en -cellen worden steeds populairder in elektronische ontwerpen. Met een celspanning van meer dan 3 volt kunnen deze worden gebruikt in de meeste batterijapparaten. Ionische lithiumbatterijen bestaan uit een anode en kathode gescheiden door een separator en elektrolyt. Tijdens hun werking bewegen lithiumionen tussen de elektroden door middel van een oxidatiehalfreactie die vrije elektronen genereert die langs een anodestroomcollector naar de anodestroomcollector reizen.

Langdurig vermogen

Ionische lithiumbatterijen zijn veel lichter, krachtiger en gaan langer mee dan hun loodzuurtegenhangers. Bovendien kunnen ze rechtop of op hun kant worden opgeborgen terwijl ze nog steeds volledig opgeladen blijven. Dit bespaart ruimte op de werkbank of garagevloer en voorkomt rugbelasting door het vervoeren van zwaardere accu's die hun lading minder goed vasthouden of minder lang stroom leveren.

Lithiumionen verplaatsen zich tussen de elektroden tijdens het ontladen en opladen via intercalatie en extractie, een proces dat ervoor zorgt dat ze gelijkmatig over beide elektroden worden verdeeld zonder volumeverandering, wat leidt tot lage spanningen en uitstekende prestaties. Met grafietanoden kunnen lithiumionen fysiek worden ingevoegd tussen 2D-lagen grafeen zonder significante volume-uitzetting tijdens het laden of ontladen; andere materialen, zoals silicium, kunnen veel grotere aantallen bevatten, maar ervaren significante uitzetting tijdens het laden of ontladen, wat de capaciteit en cyclusstabiliteit aanzienlijk verlaagt.

Lithium-ion accu's onderscheiden zich door hun extreem lage zelfontladingssnelheid van slechts 1,5% tot 2% per maand - waardoor ze een uitstekende optie zijn voor noodstroomsystemen, kampeertrips en radioamateurs. Loodzuuraccu's en nikkelaccu's kunnen tot 10% per maand verliezen als ze niet worden gebruikt; in vergelijking hiermee hebben ionische lithiumaccu's het voordeel dat ze zelfs onder ongunstige temperatuursomstandigheden bruikbaar blijven.

Hoge energiedichtheid

ionische lithiumbatterijen zijn de eerste keuze geworden voor het voeden van veel moderne elektronische apparaten vanwege hun combinatie van factoren - relatief lage kosten, grote oplaadcapaciteiten en recyclevriendelijkheid - waardoor ze de industriestandaard zijn geworden voor de opslag van batterijen met een hoog energieniveau.

Lithium-ion-accu's maken gebruik van een extern circuit om elektrische energie te leveren door een externe spanning op elke cel aan te sluiten, waardoor elektronen van de negatieve elektrode door de elektrolyt naar de positieve elektrode worden geforceerd, terwijl lithiumionen tegelijkertijd van de positieve elektrode naar de negatieve elektrode bewegen door middel van intercalatie.

Ontlading vindt plaats wanneer elektronen en lithiumionen zich scheiden en herenigen met hun respectievelijke elektrische ladingen in de kathode, vervolgens door elektrolyt gaan tot ze de anode bereiken waar ze weer worden opgeladen. Dit omkeerbare proces vindt plaats door de kleine atomaire straal en het hoge standaardreductiepotentiaal van lithium, waardoor het zeer reactief is met verschillende materialen.

Commerciële LIB's vertrouwen vaak op grafiet intercalatie-anodes om lithiumionen op te slaan tussen individuele 2D-lagen die bulkgrafiet vormen. De theoretische laadcapaciteit wordt geschat op 339 mAh g-1 en zorgt voor snelle laad- en ontlaadcycli. Helaas resulteert de lange diffusieweg voor lithiumionen echter in spanningsverlies. Om dit probleem te bestrijden, onderzoeken onderzoekers verschillende insertiekathoden die chalcogeniden van overgangsmetalen bevatten met een grotere ionstraal dan die van lithium.

Laag zelfontladingspercentage

Batterijen verliezen na verloop van tijd een deel van hun lading als ze niet worden gebruikt, een effect dat bekend staat als zelfontlading. Deze snelheid is afhankelijk van factoren zoals temperatuur, leeftijd en opslagomstandigheden - ionische lithiumbatterijen hebben een lage zelfontladingssnelheid in vergelijking met andere batterijtypen en kunnen dus langer meegaan voordat ze moeten worden vervangen.

ionische lithiumbatterijen slaan lithiumionen op met behulp van intercalatie, waarbij ze in het bulkgrafiet worden ingebracht via lagen koolstofroosters die het bulkgrafiet vormen en kunnen worden omgekeerd wanneer het opladen plaatsvindt. Door dit proces wordt de anode kleiner en kunnen er meer lithiumionen worden opgeslagen.

Als accu's langere tijd ongebruikt blijven, vormt de anode een vaste elektrolyt-interfacelaag (SEI) op het grafietoppervlak, die geleidelijk regenereert telkens als ze worden opgeladen; dit proces kan ook worden versneld bij hogere temperaturen of door de anode bloot te stellen aan vocht.

Dunne SEI-lagen kunnen leiden tot microkorte circuits die de prestaties en levensduur van batterijen verminderen, terwijl vocht lekkage van elektrolyt of water kan veroorzaken, wat kan leiden tot een onbalans in chemische reacties en brandgevaar kan veroorzaken.

Milieuvriendelijk

De milieu-impact van Ionische Lithium Batterijen hangt af van hun grondstoffen. Lithium is het meest gebruikte niet-metaal en heeft als zodanig een lage toxiciteit voor zowel menselijke lichamen als ecosystemen; de ontginning ervan kan echter uitdagingen met zich meebrengen en mogelijk milieuschade veroorzaken; het wordt meestal gewonnen uit zoutvlakten die waterbronnen vervuilen en ecologische problemen veroorzaken in de omliggende gebieden; bovendien zijn mijnbouwprocessen vaak gevaarlijk en arbeidsintensief en er zijn zelfs meldingen van kinderarbeid tijdens sommige operaties.

Hoewel consumenten lege lithium-ion-batterijen meestal op stortplaatsen gooien, is het recyclen van deze cellen een optimale oplossing. Omdat lithium-ionbatterijen edelmetalen bevatten, moeten ze goed en veilig worden gerecycled. Helaas zijn recyclingprocessen complex en vaak duur. Omdat deze batterijen lithiumkobaltoxide en andere chemicaliën bevatten die met zuurstof kunnen reageren en ervoor kunnen zorgen dat ze vlam vatten, moeten ze om dit te voorkomen in plastic worden gewikkeld en met tape aan elkaar worden geplakt zodat de polen elkaar of metalen voorwerpen niet raken. Dit voorkomt ook dat de polen elkaar raken of bloot komen te liggen. Naarmate de vraag naar lithium-ionbatterijen toeneemt, moeten fabrikanten ontwerpen zonder zeldzame metalen onderzoeken om het afval en de vervuiling die worden veroorzaakt door het delven van deze mineralen te helpen verminderen. Verder is het van cruciaal belang om het publiek bewust te maken van het recyclen van deze batterijen.