Een inleiding tot lithiumbatterijen

0

Invoering

Tussen elektrische auto’s, mobiele telefoons en laptops lijkt het alsof batterijen overal zijn. Dit zal niet snel veranderen. Het wereldwijde elektriciteitsverbruik stijgt enorm en smartphones, tablets en e-readers komen allemaal steeds vaker voor. Bovendien vinden batterijen toepassingen in energieopslag naarmate de sector van hernieuwbare energie blijft groeien. Ingenieurs en wetenschappers hebben veel nieuwe technologieën ontwikkeld om in onze opslagbehoeften te voorzien, maar geen enkele lijkt zich te hebben gevestigd als de ultieme technologie. Vliegwiel, perslucht en thermische opslag zijn allemaal sterke kanshebbers voor opslag op netschaal, terwijl lithium accu kapot nikkel-cadmium- en nikkel-metaalhydridebatterijen strijden om draagbare elektriciteitsopslag. Waar het allemaal op neerkomt, is dat we nog steeds geen optimale manier hebben gevonden om onze elektriciteit op te slaan. Dit artikel bespreekt de technologie en het potentieel van lithiumbatterijen.

Tot de jaren 1990 waren nikkel-cadmium (NiCad)-batterijen praktisch de enige keuze in oplaadbare batterijen. Het grootste probleem met deze apparaten was dat ze een hoge temperatuurcoëfficiënt hadden. Dit betekende dat de prestaties van de cellen kelderden als ze opwarmden. Bovendien is cadmium, een van de belangrijkste elementen van de cel, kostbaar en milieuonvriendelijk (het wordt ook gebruikt in dunne filmpanelen). Nikkel-metaalhydride (NiMH) en lithium-ion ontstonden in de jaren 90 als concurrenten van NiCad. Sindsdien is er een geestdodend aantal technologieën op de markt verschenen. Van deze lithium-ionbatterijen vallen ze op als een veelbelovende kandidaat voor een breed scala aan toepassingen.

Lithium-ioncellen zijn gebruikt in honderden toepassingen, waaronder elektrische auto’s, pacemakers, laptops en militaire microgrids. Ze zijn extreem onderhoudsarm en energiezuinig. Helaas hebben commerciële lithium-ioncellen een aantal ernstige nadelen. Ze zijn erg duur, kwetsbaar en hebben een korte levensduur in deep-cycle toepassingen. De toekomst van veel ontluikende technologieën, waaronder elektrische voertuigen, hangt af van verbeteringen in de celprestaties.

Technologie

Een batterij is een elektrochemisch apparaat. Dit betekent dat het chemische energie omzet in elektrische energie. Oplaadbare batterijen kunnen in de tegenovergestelde richting worden omgezet omdat ze omkeerbare reacties gebruiken. Elke cel is samengesteld uit een positieve elektrode die kathode wordt genoemd en een negatieve elektrode die anode wordt genoemd. De elektroden worden in een elektrolyt geplaatst en verbonden via een extern circuit dat elektronenstroom mogelijk maakt.

Vroege lithiumbatterijen waren hoge-temperatuurcellen met gesmolten lithiumkathodes en gesmolten zwavelanodes. Deze thermisch oplaadbare batterijen werkten bij ongeveer 400 graden celcius en werden voor het eerst commercieel verkocht in de jaren tachtig. Het insluiten van de elektrode bleek echter een serieus probleem vanwege de instabiliteit van lithium. Uiteindelijk vertraagden temperatuurproblemen, corrosie en verbeterende omgevingstemperatuurbatterijen de acceptatie van gesmolten lithium-zwavelcellen. Hoewel dit in theorie nog steeds een zeer krachtige batterij is, ontdekten wetenschappers dat het noodzakelijk was om enige energiedichtheid in te ruilen voor stabiliteit. Dit leidde tot lithium-iontechnologie.

Een lithium-ionbatterij heeft over het algemeen een grafiet-koolstofanode, die Li+-ionen herbergt, en een metaaloxidekathode. De elektrolyt bestaat uit een lithiumzout (LiPF6, LiBF4, LiClO4) opgelost in een organisch oplosmiddel zoals ether. Omdat lithium zeer heftig zou reageren met waterdamp is de cel altijd afgesloten. Om kortsluiting te voorkomen, zijn de elektroden gescheiden door poreus materiaal dat fysiek contact voorkomt. Wanneer de cel wordt opgeladen, intercaleren lithiumionen tussen koolstofmoleculen in de anode. Ondertussen komen aan de kathode lithiumionen en elektronen vrij. Tijdens de ontlading gebeurt het tegenovergestelde: Li-ionen verlaten de anode en reizen naar de kathode. Aangezien de cel de stroom van ionen en elektronen omvat, moet het systeem zowel een goede elektrische als ionische geleider zijn. Sony ontwikkelde in 1990 de eerste Li+-batterij met een lithium-kobaltoxide-kathode en een koolstofanode.

Over het algemeen hebben lithium-ioncellen belangrijke voordelen waardoor ze in veel toepassingen de eerste keuze zijn geworden. Lithium is het metaal met zowel de laagste molaire massa als het grootste elektrochemische potentieel. Dit betekent dat Li-ion batterijen een zeer hoge energiedichtheid kunnen hebben. Een typische potentiaal van een lithiumcel is 3,6 V (lithiumkobaltoxide-koolstof). Ze hebben ook een veel lagere zelfontlading van 5% dan die van NiCad-batterijen, die zichzelf gewoonlijk met 20% ontladen. Bovendien bevatten deze cellen geen gevaarlijke zware metalen zoals cadmium en lood. Ten slotte hebben Li+-batterijen geen geheugeneffecten en hoeven ze niet te worden bijgevuld.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *