Gjenganger: Dette er selve arbeidshesten som svært mange litiumionebatterier er bygget opp av. Den såkalte 18650-cellen er standardisert. (Bilde: Odd R. Valmot)

HVORDAN VIRKER: LITIUMIONEBATTERIER

Slik fungerer batteriet som endret verden

Hvor sikre?

  • Såkalte termiske hendelser i Li-ionebatterier har fått mye oppmerksomhet.
  • I praksis er de svært sikre dersom de behandles riktig og systemet rundt er designet med tanke på sikkerhet. Da batteriet i en Tesla tok fyr etter en kollisjon for en tid tilbake, ble brannen slokket med vann.
  • Hvis en bensintank hadde begynt å brenne, hadde ikke slokkingen vært like enkel.

Trengte nytt navn

  • Hvorfor kaller man dette for et Li-ionebatteri og ikke bare et litiumbatteri? Alle batterier har jo med ladete atomer i form av ioner å gjøre.
  • Forklaringen er at begrepet litiumbatteri allerede var i bruk for et ladbart batteri med litiummetallanode og et frynsete rykte med tanke på sikkerhet.
  • Li-ionebatterier inneholder ikke litium i metallisk form, bare i interkalert- og ioneform.

Få skjønte nok implikasjonene det skulle få da Sony lanserte det første kommersielle litiumionebatteriet i 1991.

De trengte et ladbart batteri med høyere kapasitet enn det nikkelkadmiumbatteriene kunne levere for at ikke videoopptakeren skulle bli for tung.

Løft for mange bransjer

Resten er historie, som de sier. Li-ionebatteriene har gitt et solid bidrag til å gjøre bærbare pc-er, nettbrett og smartmobiler til det de er i dag. De har gjort flere typer elektroverktøy uavhengige av ledninger, og de har gjort elbilen praktisk.

Etter hvert som teknologien forbedres og prisene faller, står nye områder for tur. Den maritime næringen kan få et betydelig miljøløft når elektrisk energi kan mellomlagres.

Et elektrisk batteri kan lagre elektrisk energi som kjemisk energi. Strengt tatt er et batteri flere celler som er koblet sammen til en større enhet, akkurat som et kanonbatteri består av flere kanoner som samarbeider.

For å være enda mer spissfindig skilles det mellom ikke ladbare og ladbare batterier. De siste, i form av Li-ionebatterier, er derfor klassifisert som sekundærbatterier eller akkumulatorer. Men dette er semantikk.

En av fordelene med litium er den høye cellespenningen. Den varierer litt med kjemien, men ligger ofte rundt 3,6 volt nominelt. Kombinert med evnen til å lagre mange amperetimer per vektenhet gir det svært høy lagringsevne.

Et batteri

Felles for alle batterier er at de er bygget opp av en anode som mottar elektroner, en katode som avgir elektroner og en elektrolytt som transporterer ioner mellom dem.

For et oppladbart batteri er anode og katode definert ut fra cellereaksjonene under utlading.

Anoden i et Li-ionebatteri består oftest av karbon. Denne gitterstrukturen er ideell for å fange et litiumatom i sentrum. Når et Li-ionebatteri er oppladet, er det fullt av Li-atomer i gitteret.

Når det lades ut, vandrer atomene over til katoden, men de legger igjen et elektron, slik at det som vandrer over er Li-ioner.

Et Li-ionebatteri må ha en separator for å skille katode og anode. Ellers kortslutter det. I praksis er separatoren en porøs polymerfilm som kan slippe igjennom Li-ionene.

Av og til brukes keramiske tilsetninger for å øke sikkerheten mot kortslutning.

Bilde: Lina Merit Jacobsen

Elektrolytt

For å kunne vandre mellom anoden og katoden trenger Li-ionene en ioneleder. Her brukes vanligvis LiPF6 i en løsning av ulike karbonater og gjerne noen tilsetningsstoffer for å sikre spesifikke egenskaper.

Avhengig av batterikjemi og bruksområdet finnes det mange ulike elektrolytter fra tyntflytende til faste.

Under utlading av batteriet vandrer de positivt ladede litiumionene fra anoden gjennom elektrolytten via separatoren og til den negative katoden. De trekkes over av det elektriske feltet.

For at det skal skje, må det være en «belønning» i katoden, og det er selvfølgelig elektroner. Litium-ionene «mangler» elektroner i det ytre skallet og vil gjerne bli til litiumatomer uten lading.

Den ytre kretsen

Det er den ytre kretsen mellom anoden og katoden som er interessant. Det er her vi kan tappe og fylle på energi i form av elektroner. I kretsen, som er en elektrisk leder mellom polene, settes det inn utstyr som skal bruke energi eller generere energi.

Det kan være en lyspære, en elmotor, en mobiltelefon eller en generator. Når bryteren lukker kretsen og det skal avgis energi, flyter det elektroner fra anoden til katoden. Når batteriet skal lades, økes spenningen, og da flyter elektronene andre veien.

Et Li-ionebatteri som skal kunne hurtiglades bør ha en større anode enn katode. Når batteriet lades, vandrer litium fra katoden tilbake til anoden. Når batteriet er utladet, går det fort.

Men etter hvert som volumet i anodematerialet fylles opp av litiumatomer, blir det vanskelig for de siste å finne plass. En større anode enn katode gjør det lettere å finne plass. Trengs det høy strømstyrke, kan innholdet i katoden også endres.

Hastigheten på lading og utlading bestemmes også av porøsiteten i både anoden og katoden. Høy porøsitet gjør litiumvandringen lettere og gir høy strømstyrke, men samtidig synker ladekapasiteten.

Bilde: Lina Merit Jacobsen

Mange navn

Det finnes en lang rekke betegnelser på Li-ionebatterier, og det er ofte kjemien i katoden som brukes til å gi navn til batteriet. Katodematerialet kan både være rene litiummetalloksider eller litiummetallfosfater. Litiummetalloksidene kan også være legeringer og/eller mekaniske blandinger.

Sammensetningen av materialene har mye å si for egenskapene til batteriet. Ulikt innhold av kobolt, nikkel, mangan i litiummetalloksidene gjør det mulig å skreddersy hvordan batteriet fungerer.

F.eks. gir mye kobolt og nikkel høy kapasitet, mens høyt innhold av mangan gir høy effekt og høy sikkerhet mot termiske hendelser. Det er en enorm spennvidde i hvordan man kan designe både katode, anode, separator og andre viktige bestanddeler.

Det er derfor stor spennvidde i egenskapene til Li-ionebatterier.

Noen betegnelser på Li-ionebatterier er mer egnet til å forvirre enn til å forklare. Litiumpolymerbatterier er det mange som snakker om. Definisjonen er i utgangspunktet at cellene skal ha en gel polymer- eller faststoffpolymerelektrolytt og ikke en flytende elektrolytt.

I praksis brukes imidlertid betegnelsen svært liberalt og oftest menes det at separatoren er et polymer, men det er den i andre slike batterier også.

Høy ladekapasitet

Den største fordelen med Li-ionebatterier er utvilsomt den høye ladekapasiteten. Slike batterier, avhengig av design, har en ladekapasitet på mellom 85 og 250 Wh/kg.

Det er svært høyt til å være batteri, men selvfølgelig langt etter energitettheten i bensin. For å lagre energien som tilsvarer en kilo bensin trengs det 40 til 50 kg batterier.

Men sammenligningen halter litt, fordi strøm kan omsettes til mekanisk energi svært mye mer effektivt enn hydrokarboner.

En annen fordel med Li-ioneteknologien er den høye virkningsgraden sammenlignet med andre batterityper. De ligger i praksis på rundt 95 prosent, mens blybatterier i praksis er på 85 prosent aller lavere.

Nikkelmetallhydrid ligger enda lavere. En annen stor fordel med teknologien er den lave selvutladingen. Typisk varierer den fra 0,5 til 2 prosent per måned, og det er lavere enn med noen annen batteriteknologi.

En forutsetning for at Li-ionebatteriet skal fungere best mulig og sikkert er elektronikken som styrer lading og utlading. Hver celle må ha «barnevakt» og trenger overvåking og styring av strømmen inn og ut.

Både batterikjemi og drift påvirker levetiden, men store systemer kan designes til 10 års levetid eller mer.

Hovedkilde: Teknologidirektør i Grenland Energy AS, dr. Lars Ole Valøen