Inleiding tot lithium-ionbatterijen
Werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen
Een lithium{0}}ionbatterij bestaat hoofdzakelijk uit een positieve elektrode, een negatieve elektrode, een elektrolyt die lithiumionen geleidt, en eenscheidingstekenen een behuizing die de positieve en negatieve elektroden scheidt. Het positieve elektrodemateriaal is over het algemeen een verbinding die de omkeerbare insertie en extractie van lithiumionen mogelijk maakt, zoals lithiumkobaltoxide (LiCoO₂), lithiumnikkeloxide (LiNiO₂), lithiummangaanoxide (LiMn₂O₄) of ternaire materialen (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). De elektrolyt bestaat uit lithiumzouten (gebruikelijke lithiumzouten zijn onder meer LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, enz.) opgelost in een specifiek oplosmiddel (voornamelijk een mengsel van ethyleencarbonaat (EC), diethylcarbonaat (DEC), dimethylcarbonaat (DMC), propyleencarbonaat (PC), enz., in een bepaalde verhouding). Het scheidingsmateriaal is over het algemeen een polyolefinehars, waarbij gewoonlijk enkel-laags of meer-laags polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE) microporeuze membranen worden gebruikt, zoals de Celgard 2300-separator. De negatieve elektrode maakt doorgaans gebruik van materialen die in staat zijn tot lithium-intercalatie, zoals petroleumcokes, puur grafiet en gelaagde gemengde grafietkoolstof. De reactie in een lithium-ionbatterij met koolstof (C₆) als negatieve elektrode en overgangsmetaaloxide LiMeO₂ als positieve elektrode is als volgt.
Tijdens het opladen:
Tijdens ontslag:
Tijdens het opladen komen lithiumionen vrij van de positieve elektrode en ingebracht in de negatieve elektrode; tijdens het ontladen komen lithiumionen vrij van de negatieve elektrode en worden in de positieve elektrode ingebracht. Met andere woorden: tijdens het opladen en ontladen bewegen lithiumionen heen en weer tussen de positieve en negatieve elektroden, net als een schommelstoel. Daarom worden lithium-ionbatterijen ook wel 'schommelstoelbatterijen' genoemd. Hun werkingsprincipe kan worden geïllustreerd in figuur 1.1.
Onder normale laad- en ontlaadomstandigheden veroorzaakt het inbrengen en extraheren van lithiumionen tussen gelaagde koolstofmaterialen en oxidedeeltjes of tussen lagen in lithium{0}}ionbatterijen doorgaans alleen veranderingen in de afstand tussen de lagen en beschadigt de kristalstructuur niet. Tijdens het laden en ontladen blijven de chemische structuren van de positieve en negatieve elektrodematerialen in wezen onveranderd. Vanuit het perspectief van de omkeerbaarheid van de laad- en ontlaadreactie is het inbrengen en extraheren van lithiumionen in de batterijmaterialen daarom een ideaal reactieproces. Op basis van deze kenmerken zijn lithium-ionbatterijen qua prestaties superieur aan nikkel-cadmium- en nikkel-metaalhydridebatterijen.
Classificatie van lithium-ionbatterijen
Lithium--ionbatterijen kunnen worden geclassificeerd op basis van het gebruikte kathodemateriaal, uiterlijk en formaat, celproductiemethode, verpakkingstype en toepassingskenmerken.
Op basis van het gebruikte kathodemateriaal kunnen lithium-ionbatterijen worden onderverdeeld in lithiumkobaltoxidebatterijen, lithiummangaanoxidebatterijen, ternaire lithiumbatterijen en lithiumijzerfosfaatbatterijen.
Lithiumkobaltoxidebatterijen hebben een nominale spanning van 3,7 V en een bedrijfsspanningsbereik van 2,4 ~ 4,2 V. Lithiumkobaltoxidebatterijen hebben een stabiele structuur, een hoge specifieke capaciteit en uitstekende algehele prestaties, maar hun veiligheid is slecht en de kosten zijn hoog. Ze worden voornamelijk gebruikt in kleine en middelgrote- cellen. De afgelopen jaren zijn hoog-lithiumkobaltoxidematerialen ontwikkeld, die de bovengrensspanning van de batterij kunnen verhogen tot 4,3 V of 4,35 V, waardoor de batterijcapaciteit en energiedichtheid effectief worden verbeterd. Momenteel hebben lithiumkobaltoxidebatterijen de hoogste volumetrische energiedichtheid, namelijk 550 Wh/kg, waardoor ze de enige keuze zijn voor het voeden van hoogwaardige mobiele telefoons en andere elektronische producten.
Lithium-mangaanoxide (MMANO)-batterijen hebben een nominale spanning van 3,8 V en een bedrijfsspanningsbereik van 2,5 V tot 4,2 V. De beschermingsspanning tegen overlading is 4,28 V ± 0,025 V, en de beschermingsspanning tegen over- ontlading is 2,5 V ± 0,1 V. MMANO-batterijen zijn goedkoop-en hebben een goede veiligheid. Het lithiummangaanoxidemateriaal zelf is echter relatief onstabiel en vatbaar voor ontleding, waarbij gas en zwelling ontstaat. De levensduur gaat relatief snel achteruit, de levensduur is relatief kort en de prestaties bij hoge-temperaturen zijn slecht. Het wordt voornamelijk gebruikt in goedkope-, middelgrote-tot-grote-cellen voor de productie van energiebatterijen.
Ternaire lithium{0}}ion-batterijen (TLC) hebben een nominale spanning van 3,6 V en een bedrijfsspanningsbereik van 2,75 V tot 4,2 V. De beschermingsspanning tegen overlading is 4,28 V ± 0,025 V, en de beschermingsspanning tegen over- ontlading is 2,75 V ± 0,1 V. TLC-batterijen presteren over het algemeen goed, zijn goedkoper dan lithiumkobaltoxide (LCO) en bieden verbeterde veiligheid. Ze kunnen worden gebruikt in stroombatterijen en hun marktaandeel op de markt voor kathodemateriaal neemt jaar na jaar toe. Kleine lithium-ionbatterijen die gebruik maken van ternaire lithium-ionmaterialen worden geleidelijk door de markt geaccepteerd. Ternaire materialen kunnen ook worden gemengd met lithiumkobaltoxide en lithiummangaanoxide voor gebruik in batterijen met een stalen-behuizing, aluminium-behuizing, zak, polymeer en cilindrische lithium-ionbatterijen, waardoor de batterijkosten aanzienlijk kunnen worden verlaagd en de algehele prestaties kunnen worden verbeterd. Momenteel kunnen batterijen van ternair materiaal een energiedichtheid bereiken van 180 Wh/kg (26650 batterijen met stalen-behuizing kunnen een capaciteit bereiken van 4600 mAh/kg met een gewicht van 90 g), wat een duidelijk voordeel oplevert qua kosteneffectiviteit.
Lithium-ijzerfosfaat (LFP)-batterijen hebben een nominale spanning van 3,2 V en een bedrijfsspanningsbereik van 2,5 ~ 3,75 V. De beschermingsspanning tegen overlading is 3,75V±0,025V, en de beschermingsspanning tegen over-ontlading is 2,5V±0,1V. Het grootste voordeel van LFP-batterijen is de stabiliteit en niet--ontleding van het materiaal van de positieve elektrode, waardoor ze een ongeëvenaarde veiligheid hebben in vergelijking met andere materiaalsystemen voor positieve elektrodes. LFP-batterijen hebben een lange levensduur, zijn rijk aan hulpbronnen en zijn milieuvriendelijk. Ze hebben echter een platform met lage ontlading en slechte prestaties bij lage-temperaturen.
Op basis van uiterlijk en grootte kunnen lithium-ionbatterijen worden onderverdeeld in cilindrische batterijen en prismatische batterijen, enz.
Op basis van de celproductiemethode kunnen lithium-ionbatterijen worden onderverdeeld in gewikkelde batterijen (cilindrisch gewikkeld en plat gewikkeld), gestapelde batterijen, enz.
Op basis van het type verpakkingsmateriaal kunnen lithium-ionbatterijen worden onderverdeeld in batterijen met stalen- behuizing, batterijen met aluminium- behuizing, batterijen met plastic- behuizing, zachte- batterijen, enz.
Op basis van de toepassingskenmerken kunnen lithium{0}}ionbatterijen worden onderverdeeld in batterijen met hoge- temperatuur, batterijen met lage- temperatuur, krachtige batterijen en batterijen met capaciteit, enz.
Op basis van hun toepassingsgebieden kunnen lithium-ionbatterijen worden geclassificeerd als: back-upbatterijen, stroombatterijen en energieopslagbatterijen.
Toepassingen van lithium-ionbatterijen
Er kan worden gezegd dat sinds de uitvinding van de batterij geen enkel ander batterijproduct zo snel en op zo grote schaal is gebruikt als de lithium--ionbatterij. Van de klokvoeding voor computer-CPU's tot de grote lithium-ionbatterijpakketten die in auto's en onderzeeërs worden gebruikt: het capaciteitsverschil is meer dan 10 miljoen keer zo groot. Ze hebben brede toepassingen in het dagelijks leven, medische apparatuur, elektrische voertuigen, energieopslagcentrales, lucht- en ruimtevaart en het leger.
Na meer dan tien jaar van popularisering zijn lithium-ionbatterijen het enige voedingssysteem geworden dat op grote schaal wordt gebruikt in digitale producten zoals mobiele telefoons en laptops. Vanwege hun hoge specifieke energie worden ze ook veel gebruikt in elektrisch gereedschap, elektrische fietsen, elektrische bussen, energiecentrales voor wind- en zonne-energie, basisstations voor mobiele communicatie, voedingen voor mijnlampen, voedingen voor mijnreddingscapsules, voedingen voor militaire individuele soldaten, radio's, satellietbatterijen en vele andere toepassingen. Volgens statistieken bereikte de marktomvang van de Chinese lithiumbatterij-industrie in 2011 39,7 miljard yuan, een stijging van 43% op jaarbasis, en bereikte de jaarlijkse productie van lithiumbatterijen 2,97 miljard eenheden, een stijging op jaarbasis van 28,6%. De lithiumbatterij-industrie is een belangrijke industriële richting van de nationale economie²¹ geworden.
