Li-ion batterier

FORDELE OG ULEMPER VED LI-ION BATTERIER 

Litium ion batterier (ofte benævnt Li-ion batterier) er et opladeligt batteri, som har en lang række fordele frem for andre typer opladelige batterier:

  • Li-ion batterierne er lette
  • Li-ion batterierne har ingen hukommelseseffekt, dvs. de kan oplades når som helst uden hensyn til om hele opladningen gennemføres eller ej (sjatladninger)
  • Li-ion batterierne kan oplades mange gange (ideelt set mere end 800 gange)
  • Li-ion batterierne har et lavt energitab når de ikke benyttes (selvafladning er langsom)

En af de få ulemper ved li-ion batteriet er, at det mister sin kapacitet når det ældes uanset om det benyttes eller ej. Man kan imidlertid mindske dette varige energitab ved at behandle og opbevare Li-ion batterierne med omtanke, da den permanente afladning reduceres hvis batteriet opbevares køligt.

Såfremt batteriet kun er delvist opladet vil det permanente kapacitetstab yderligere kunne reduceres og batteriet vil kunne holde endnu længere, hvilket fremgår af tabellen nedenfor:

Oversigt over et Li-ion Batteri’s varige kapacitets tab ved længerevarende opbevaring.

Opbevarings temperatur af Li-ion batteri

40% opladt Li-ion batteri

100% opladt eller afladt Li-ion batteri

0 ºC

2% tab efter 1 år

6% tab efter 1 år

25 ºC

4% tab efter 1 år

20% tab efter 1 år

40 ºC

15% tab efter 1 år

35% tab efter 1 år

60 ºC

25% tab efter 1 år

40% tab efter 3 måneder!

Se https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/how_to_store_batteries for mere information

Li-ion batterier bliver stadigt oftere brugt i elektroniske batterikrævende apparater, på grund af Li-ion batteriernes mange fordele:

Li-ion batterier har et lavt energi/vægt forhold

Li-ion batterier er lavet af de lette grundstoffer Litium (Li) og Kulstof (C). Da litium også er et særdeles reaktivt grundstof resulterer i et højt energi/vægt forhold. Et typisk Li-ion batteri indeholder således ca. 150-200 Watt timer (Wh) pr. kg batterimateriale. Sammenlignes med NiMH batterier (Nikkel Metal Hydrid) indeholder disse kun 100 Wh/kg (oftest kun 60-70 Wh) mens et gammeldags blysyre batteri (som kendes fra bilbranchen) kun indeholder 25 Wh/kg. Et Li-ion batteri er således 6 gange lettere end blysyre batterierne i forhold til dets kapacitet. Hvor meget strøm et Li-ion batteri kan indeholde afhænger af batteriets spænding (Volt, V) og dets strømkapacitet (Ampere timer, Ah). Mængden af strøm angives i Watt timer (Wh) og beregnes som produktet af spændingen og kapaciteten (V x A = W). Et 36 Volt Li-ion batteri med 10 Amperetimers kapacitet (10 Ah) vil således have strøm svarende til 360 Watt timer (0,36 kWh), og batterimaterialet vil typisk veje 2,5 kg

Li-ion batterier har ingen hukommelses effekt og kan således oplades når som helst

Manglende hukommelses effekt betyder, at man ikke behøver at aflade batteriet helt før det oplades for undgåelse af permanent hukommelses tab. Dette er et særdeles praktisk forhold for især transportmidler, da det nærmest er umuligt at afstemme opladningerne med de afstande man typisk har.

Man kan desuden ”klatlade” batteriet, dvs. give batteriet en kortere opladning som man nu har tid til. I nedenstående kurve kan du se, hvor hurtigt et Ebike Li-ion batteri oplades, både fra ”tom” tilstand, og ved klatladning.

 

Lidt historie om Li-ion batterier

De første Li-ion batterier blev udviklet i 1970’erne af M.S. Whittingham som brugte en anode af metallisk litium og en anode bestående af titanium sulfid til at producere strøm. Batterier med metalliske litium anoder udgjorde imidlertid en vis sikkerhedsrisiko (de kunne eksplodere) og var ikke velegnede til kommerciel brug før Li-ion batteriet blev opfundet af Bell labs (USA), som udviklede en velegnet grafit anode, der kunne erstatte de farligere metalliske litiumstænger. De første kommercielle Li-ion batterier blev først i 1991 produceret af Sony på grundlag af endnu et videnskabeligt arbejde som forbedrede katoderne i Li-ion batterierne. Æren for opfindelsen af den type li-ion batterier som bruges i dag (lithium-cobolt-oxid batteriet) bør gå til John B. Goodenough (født 1922). Det siges at det var en kandidatstuderende ansat af Nippon Telephone & Telegraph (NTT) som arbejdede med Goodenough i USA som medvirkede til det kommercielle gennembrud af Li-ion batteriet. Kort efter gennembruddet rejste eleven tilbage til Japan og tog opdagelsen med sig. Så i 1991 annoncerede Sony et internationalt patent på en lithium-cobalt-oxid katoden som er den egentlige årsag til af Li-ion batterierne blev stabile og effektive. John B. Goodenough, M. S. Whittingham og Akira Yoshino (studenten som tog opdagelsen med til Sony) har i 2019 modtaget Nobelprisen for deres medvirken til udviklingen af det moderne li-ion batteri https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/facts/

Udviklingen af Li-ion batterier er altså relativ ny og under stadig forbedring, da denne batteri type sammen med f.eks. litium polymer batterier vil kunne udkonkurrere de noget ældre nikkel type batterier, og snart vil revolutionere hele transportbranchen. Nye typer li-ion batterier – de såkaldte Solid State batterier er imidlertid under udvikling – Solid State batterier løser mange af de problemer som de li-ion batterier vi i dag bruger har – primært i forhold til opladningstiden, kapaciteten af batteriet (dvs. rækkevidden når vi snakker transport køretøjer), sikkerheden (batterierne kan ikke brænde). Toyota forventer at kunne lancere elbiler med den nye Solid State batteriteknologi allerede i 2022 https://www.erabiler.dk/page/solid-state-batteri-ny-batteriteknologi-der-tredobler-kapaciteten-toyota-er-langt-fremme

 

Kemien i et litium ion batteri

Litium ion batterier (ofte benævnt Li-ion batterier) er et opladeligt batteri, hvor energien opnås når litium ioner i en elektrolytvæske bevæger sig mellem en anode og en katode. Under opladning bevæger litium ionerne sig fra anoden til katoden og omvendt, når batteriet aflades bevæger litium ionerne sig fra katoden til anoden. Litium ionerne bevæger sig altså frem og tilbage mellem katode og anode i elektrolytvæsken, og energien frigives altså når litium ionerne bevæger sig mod anoden. Anoden er næsten altid lavet af grafit mens katoden kan være lavet af flere materialer, f.eks. koboltoxid (mest udbredt), litium jern fosfat eller magnesiumoxid. Li-ion batterier må endelig ikke forveksles med litium batterier hvor anoden er lavet af metallisk litium. Denne type batterier er ret ustabile og farlige og benyttes ikke mere af sikkerhedsmæssige hensyn.

https://batteryuniversity.com/learn/article/lithium_based_batteries

 

Opbygningen af li-ion elcykel batterier

Et li-ion batteri som sidder på en elcykel er opbygget af en masse mindre batterienheder, nogenlunde som dem du kan købe som enkeltbatterier. Batteriet i et Li-ion batteri er typisk et 18650 battericelle, dvs. den er rund med diameter på 18 mm og længde på 65 mm. Altså lidt større end et AA batteri. Opbygningen af batteriet inde i batterikassen afhænger dels af hvor mange volt batteriet skal have og hvor megen kapacitet batteriet skal have.

Hver battericelle har en middelspænding på 3,7V – spændingsintervallet ligger mellem opladet og afladet tilstand mellem 4,2V (når det er helt opladet) og 3,0V (når det er helt afladet). Bemærk at det kun er en lille del af li-ion batteriets spændingsfelt som bruges – falder batteriets spænding til mindre end 2,5V ødelægges cellen (vi siger at det ”klapper sammen”) og det svarer til en situation hvor du har afladet batteriet helt og derefter glemt at lade det op.

Opbygningen af det komplette elcykel batteri sker ved en seriel sammenkobling af cellerne til en samlet kreds for at opnå den spænding (volt) batteriet skal have. Batteriet er så typisk opbygget af flere kredse som sammenkobles parallelt for at opnå den tilstrækkelige kapacitet (ampere)

Nedenfor ser du et eksempel på et batteri som består af 4 celler hver med en spænding på 3,6V som er koblet sammen serielt – den resulterende spænding på dette batteri vil så være 4 x 3,6V = 14,4V.

Ved parallel kobling af battericellerne ændres batteriets spænding ikke – men derimod vokser batteriets kapacitet således at der opnås flere amperetimer (Ah) i batteriet. Nedenfor ser du et batteri som er parallelkoblet som 4 x 3400mAh = 13600 mAh (13,4Ah).

Et almindeligt elcykel batteri på 36V med en kapacitet på 10,4Ah skal altså sammensættes af i alt 10 stk. 2,6Ah celler som kobles sammen serielt – spændingen over 10 stk. 3,6V celler sammensat serielt bliver altså 36V. Dernæst skal denne kreds bestående af 10 stk. serielt koblede batterier parallelkobles 4 gange (36V 4 x 2,6Ah = 36V 10,4Ah) for at opnå de givne 10,4Ah. Et 36V 10,4Ah batteri består altså af 40 battericeller i alt (10 celler koblet serielt i en kreds, 4 kredse koblet sammen parallelt). Skal din kapacitet være højere, kan du enten bruge battericeller med højere kapacitet (f.eks. 3,5Ah celler som vi også bruger) – med disse celler kan batteriets kapacitet nu ændres til 36V 14Ah med samme celleantal (40 celler). En anden måde at øge kapaciteten på er ved at sammensætte batteriet med 5 kredse i stedet for 4 kredse – med 5 kredse stiger antallet af celler til 50 og du kan med 2,6Ah battericeller opnå en kapacitet på 13Ah mens du med 3,5Ah battericeller kan opnå en kapacitet på 17,5Ah.

Udover celleblokken som udgør batteridelen SKAL li-ion batterier udrustes med en elektronisk enhed som kaldes BMS (Batteri Management System). Det er et lille elektroniks kredsløb som er koblet til celleblokken med en række ledninger som kan føle hver enkelt celles spænding. Formålet med BMS systemet er at sikre, at

  • batteriet ikke kan overoplades
  • batteriet ikke kan overaflades
  • batteriet stopper med at virke hvis en eller flere celler får en defekt
  • batteriet stopper med at virke hvis det bliver for varmt

BMS systemet gør li-ion batteriet væsentligt mere kompliceret end de gamle typer genopladelige batterier (blysyre, NiCD og NiMH) som typisk ikke har brug for denne type overvågning.

 

Holdbarhed af li-ion elcykel batterier

Holdbarheden af Li-ion batterier afhænger af mange forhold som du som bruger kan forholde dig til for at få dit batteri til at holde længere. Nogen forhold er lette at efterleve mens andre forhold handler om kvalitet og cellealder som man ikke har nogen chance for at forbedre. Er det et billigt batteri du har købt er der stor sandsynlighed for, at cellerne er af en billig kvalitet og som ikke vil holde længe, selv hvis du behandler det ordentligt. Vi ser mange eksempler på billige batterier som kun holder 1-2 år hvorefter de fejler – det er typisk de billigste elcykler og elladcykler på markedet, hvor selve elcyklerne faktisk kan være udmærkede, men hvor batterierne simpelthen er for dårlige.

Et godt li-ion batteri holder typisk i 4-5 år hvorefter der er sket så stor en slitage, at man som bruger syntes det er blevet ”sløvt”. Denne betegnelse dækker over at batteriet ikke længere kan holde sin spænding når det belastes, og at man som bruger føler at det hurtigere er ved at løbe tør for strøm. Et batteri slides på 3 måder:

  • Ældning
  • Brugsslidtage
  • Forhøjede temperaturer

Ældningen er en kemisk proces som bevirker, at der sker en ændring af batteriets indre komponenter grundet korrosionsprocesser inde i batteriet. Ældningen starter altså allerede efter produktionen af cellen er sket så derfor er det også vigtigt at det batteri du køber, ikke er et gammelt batteri, som har ligget længe på lager (mere end 1 år). Vi har megen opmærksomhed på hvornår vores battericeller reelt er produceret, og sikrer gennem ordrestyring, at vores batteripakker ikke er ældre end 6 måneder når de bliver solgt til forbrugeren

Brugsslidtage er den slitage som sker når batteriet er i drift. Man siger typisk, at et li-ion batteri kan klare 500 – 800 fuldopladninger – sjatladninger tæller altså mindre i denne sammenhæng. Men efter f.eks. 800 fuldopladninger er batteriet ikke nødvendigvis udtjent – det har bare mistet en del af sin kapacitet, som typisk er 20-30%. Nedenstående billede viser hvordan kapacitetstabet udvikler sig på en række batterityper af god og mindre god kvalitet. Som det ses har battericellen sjældent sin fulde kapacitet når det er nyt – typisk er kapaciteten 90%, men det afhænger af, hvilken battericelle der er tale om, og hvad den nominelle kapacitet er fra start. Typisk ser vi at 2600 mAh battericeller kan levere over 95% mens 3400 mAh og 3500 mAh kan levere 90% under almindelige brugsbetingelser når det er nyt.

Udsættes batteriet for forhøjede temperaturer (enten i forbindelse med henstand eller ved brugen af batteriet) slides det væsentligt hurtigere. I selve brugssituationen føler man at batteriet kører fantastisk godt, men i virkeligheden slides det også hurtigere. Det skyldes at der i batteriets indre foregår en kemisk proces som er temperaturafhængig – den proces får batteriet til at korrodere hurtigere så antallet af opladninger batteriet kan levere reduceres. Det værste du kan gøre når du ikke bruger batteriet er derfor at stille batteriet et varmt sted (på et opvarmet gulv, ved en brændeovn eller i et fyrrum) da du med sikkerhed vil reducere batteriets kapacitet, se nedenstående tabel.

Opbevarings temperatur af Li-ion batteri

40% opladt Li-ion batteri

100% opladt eller afladt Li-ion batteri

0 ºC

2% tab efter 1 år

6% tab efter 1 år

25 ºC

4% tab efter 1 år

20% tab efter 1 år

40 ºC

15% tab efter 1 år

35% tab efter 1 år

60 ºC

25% tab efter 1 år

40% tab efter 3 måneder!

 

Hvis du skal køre på et batteri som har stået et koldt sted vil batteriet forbigående føles sløvt – det er derimod ikke udtryk for, at batteriet permanent er blevet sløvere, da det vil blive friskt igen når det opvarmes. Bruger du batteriet i vinterhalvåret kan du derfor blive nød til at tage batteriet med ind i varmen så det fungerer effektivt når det skal bruges. Men hvis du ikke bruger batteriet når det er koldt kan du altså med fordel stille det et køligt sted så det derved ”konserveres” bedre.