Li-ion batterij
Inhoud
Lithium-ionbatterij of lithium-ionbatterij is een type lithiumbatterij
Opkomende technologieën voor elektrische mobiliteit
Smartphones, ingebouwde camera's, drones, elektrisch gereedschap, elektrische motorfietsen, scooters... tegenwoordig zijn lithiumbatterijen gewoon alomtegenwoordig in ons dagelijks leven en hebben ze een revolutie teweeggebracht in veel gebruiksscenario's. Maar wat brengen ze eigenlijk en kunnen ze nog evolueren?
Verhaal
Het was in de jaren zeventig dat de lithium-ionbatterij werd geïntroduceerd door Stanley Whittingham. Het werk van laatstgenoemde zou in 1970 worden voortgezet door John B. Goodenow en Akiro Yoshino. Pas in 1986 bracht Sony de eerste batterij in zijn soort op de markt en begon een technologische revolutie. In 1991 ontvingen drie mede-uitvinders de Nobelprijs voor scheikunde.
Hoe werkt het?
Een lithium-ionbatterij is eigenlijk een pakket van verschillende lithium-ioncellen die elektrische energie opslaan en teruggeven. Een batterij is gebaseerd op drie hoofdcomponenten: een positieve elektrode die kathode wordt genoemd, een negatieve elektrode die anode wordt genoemd, en een elektrolyt, een geleidende oplossing.
Wanneer de batterij leeg is, zendt de anode elektronen uit via de elektrolyt naar de kathode, die op zijn beurt positieve ionen uitwisselt. Beweging verandert tijdens het opladen.
Daarom blijft het werkingsprincipe hetzelfde als dat van de "lood"-batterij, behalve dat hier het lood en de loodoxide van de elektroden worden vervangen door een kobaltoxidekathode, inclusief wat lelie en een grafietanode. Evenzo maakt zwavelzuur of een waterbad plaats voor een elektrolyt bestaande uit lithiumzouten.
Tegenwoordig is de gebruikte elektrolyt in vloeibare vorm, maar het onderzoek evolueert naar een vaste, veiligere en duurzamere elektrolyt.
Voordelen
Waarom heeft de lithium-ionbatterij de afgelopen 20 jaar alle andere verdrongen?
Het antwoord is simpel. Deze batterij biedt een uitstekende energiedichtheid en levert daarom dezelfde gewichtsbesparende prestaties in vergelijking met lood, nikkel...
Ook hebben deze accu's een relatief lage zelfontlading (maximaal 10% per maand), zijn onderhoudsvrij en hebben geen memory-effect.
Tot slot, hoewel ze duurder zijn dan oudere batterijtechnologieën, zijn ze goedkoper dan lithiumpolymeer (Li-Po) en blijven ze efficiënter dan lithiumfosfaat (LiFePO4).
Beperkingen
Lithium-ion batterijen zijn echter niet ideaal en hebben vooral meer celbeschadiging als ze volledig ontladen zijn. Om ervoor te zorgen dat ze hun eigenschappen niet te snel verliezen, is het daarom beter om ze te laden zonder te wachten tot ze plat worden.
Allereerst kan de batterij ernstige veiligheidsrisico's opleveren. Wanneer de batterij overbelast raakt of onder de -5°C zakt, stolt het lithium door de dendrieten van elke elektrode. Wanneer de anode en kathode door hun dendrieten met elkaar verbonden zijn, kan de batterij vlam vatten en exploderen. Er zijn veel gevallen gemeld door Nokia, Fujitsu-Siemens of Samsung, er hebben zich ook explosies voorgedaan in vliegtuigen, dus vandaag is het verboden om een lithium-ionbatterij in het ruim mee te nemen, en het landen in de cabine is vaak beperkt qua vermogen ( verboden boven 160 Wh en met toestemming van 100 tot 160 Wh).
Om dit fenomeen tegen te gaan, hebben fabrikanten elektronische regelsystemen (BMS) geïntroduceerd die de temperatuur van de batterij kunnen meten, de spanning kunnen regelen en als stroomonderbreker kunnen fungeren in het geval van een anomalie. Vaste elektrolyt of polymeergel zijn ook mogelijkheden die worden onderzocht om het probleem te omzeilen.
Om oververhitting te voorkomen, vertraagt het opladen van de batterij de laatste 20 procent, dus de oplaadtijd wordt vaak slechts voor 80% geadverteerd...
Een lithium-ionbatterij is echter zeer praktisch voor dagelijks gebruik en heeft een sterke impact op het milieu, eerst door lithium te onttrekken, waarvoor astronomische hoeveelheden zoet water nodig zijn, en vervolgens door het aan het einde van zijn levensduur te recyclen. Recycling of hergebruik neemt echter van jaar tot jaar toe.
Wat is de toekomst van het lithium-ion?
Nu het onderzoek steeds meer evolueert naar alternatieve technologieën die minder vervuilend, duurzamer, goedkoper te produceren of veiliger zijn, heeft de lithium-ionbatterij dan zijn grenzen bereikt?
De lithium-ionbatterij, die al drie decennia op industriële schaal werkt, heeft niet het laatste woord gehad en de ontwikkelingen blijven de energiedichtheid, laadsnelheid of veiligheid verbeteren. We hebben dit in de loop der jaren gezien, vooral op het gebied van gemotoriseerde tweewielers waar de scooter 5 jaar geleden slechts ongeveer vijftig kilometer meeging, sommige motorfietsen overschrijden nu de actieradius van 200 eindpunten.
Revolutionaire beloften zijn er ook legio, zoals Nawa koolstofelektrode, Jenax opvouwbare batterij, 105°C bedrijfstemperatuur in NGK…
Helaas wordt onderzoek vaak geconfronteerd met de harde realiteit van winstgevendheid en industriële vereisten. In afwachting van de ontwikkeling van alternatieve technologie, met name lithium-lucht, waar iedereen op zit te wachten, heeft lithium-ion nog een mooie toekomst voor zich, vooral in de wereld van elektrische tweewielers, waar gewichts- en voetafdrukreductie belangrijke criteria zijn.
