Lithium-ion-accu

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Naar zoeken springen
Lithium-ion-accu
Lithium-Ionen-Accumulator.jpg
Specificaties
Energie/massa 160[1] Wh/kg
Energie/inhoud 270[2] Wh/l
Vermogen/massa 190–1200[3] W/kg
Laad/ontlaadefficiëntie 80–90 %
Energie/consumentenprijs 4–8 Wh/
Zelfontlading 5–10 %/maand
Levensduur 24–36 maanden
Aantal laadcycli 500–1000
Bronspanning 3,6–3,7 V
Cilindrische cel voordat hij gesloten wordt (18650)

Een lithium-ion-accu of Li-ion-accu is een oplaadbare accu die vaak in consumentenelektronica en elektrische auto's wordt gebruikt, vooral vanwege de hoge energiedichtheid en lange levensduur.

Er kleven echter ook een paar nadelen aan dit type accu. De accu mag nooit te ver ontladen worden en wordt daarom meestal gebruikt in een apparaat dat voorzien is van een regelsysteem genaamd; Battery Management System of BMS. Dat systeem voorkomt te diepe ontlading en overladen. De accu is dan ook vaak specifiek voor een apparaat gemaakt, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een nikkel-metaalhydrideaccu (NiMH) en de nikkelcadmiumaccu (NiCd). De Li-ion-accu kent een aantal vormen. De bekendste is 18650 cylindrische cel. Maar ook de Li-polymeerpouchcellen zijn lithium-ion qua chemie. De bekendste Li-ionsamenstellingen zijn: lithiumkobaltoxide (LiCoO2) en lithiumionmangaanoxide (LiMn2O4, Li2MnO3 of LiMnO)

Diepontlading gebeurt wanneer de accu verder ontladen wordt dan de minimale toegestane accuspanning. Afhankelijk van de chemie ligt die tussen 2,8 volt en 3,0 volt. Diepe ontlading heeft interne beschadiging tot gevolg. Een goed functionerend regelsysteem zorgt ervoor dat de stroomvoorziening wordt gestopt wanneer de interne spanning te laag dreigt te worden.

De lithium-ion-accu dient niet te worden verward met de (niet-oplaadbare) lithiumbatterij of andere lithiumaccu's zoals LiFePO4 en lithium titanaat. Deze andere lithiumachtige batterijen hebben heel andere eigenschappen en specificaties.

Elektrochemie[bewerken | brontekst bewerken]

In het geval dat de anode van deze batterij grafiet is en de kathode LiCoO2 krijgt men volgende halfreacties:

anode:

kathode:

Het elektrolyt tussen de anode en kathode geleid de ionen. In deze batterij zijn het die Li+ ionen die hiervoor verantwoordelijk zijn.

Ideaal zou voor de anode van de lithiumbatterij zuiver lithium metaal worden gebruikt. Het commerciële gebruik van lithium heeft echter enkele nadelen. Ten eerste is lithium zeer reactief waardoor het ontvlambaar is. Ten tweede zal lithium tijdens het opladen een andere structuur aannemen, dendriet van dendriet. Dendriet-vorming kan namelijk leiden tot kortsluiting door schade aan te brengen aan de separator. Om dit probleem op te lossen wordt lithium intercalatie gebruikt intercalatie. Intercalatie betekent dat moleculen (of ionen) worden ingebracht in een materiaal met een gelaagde structuur. Dit wil zeggen dat lithium-ionen worden gelaagd in bijvoorbeeld grafiet. De structuur van het grafiet blijft hetzelfde, maar de lithium-ionen kunnen vrij bewegen doorheen het gastmateriaal.[4]

Opbouw[bewerken | brontekst bewerken]

Opbouw van de Lithium-ion-accu

Tussen de anode en kathode wordt een separator aangebracht, in de vorm van polyethyleen of polypropyleen. De separator zorgt ervoor dat de anode en kathode van elkaar geïsoleerd zijn, terwijl de ionen er nog doorheen kunnen bewegen. Om de vaste elektrolyt fase te beschermen tegen ontbinding bij het opladen wordt er gebruik gemaakt van een vaste elektrolytinterfase. Dit is een passiveringslaag die zich op de negatieve elektrode zet en de elektrolyt beschermt tegen ontbinding. Als de passiveringslaag verdwijnt heeft dit een negatief effect op de prestaties van de batterij, zoals de capaciteit en totale levensduur.

Eigenschappen[bewerken | brontekst bewerken]

De nominale spanning van een enkele cel kan afhankelijk van de gebruikte anode variëren van 3,6 tot 3,8 volt. De spanning varieert echter van 2,4 tot 4,2 volt. Als de spanning onder de 2,4 volt komt, is de cel meestal defect. Daarom wordt 3,0 of 2,8 volt meestal als minimumspanning aangehouden. Hogere accuspanningen worden bereikt door cellen in serie te schakelen.

Hoe lang het duurt om een Li-ion-accu op te laden hangt af van de capaciteit. Verder is dit afhankelijk van de lader. Het laden van een typische 18650 Li-ion-accu duurt ongeveer 3 uur. Bij proeven is gebleken dat laden met een hoge laadstroom niet sneller gaat – de accu heeft toch drie uur nodig voordat hij helemaal geladen is. Een andere factor die invloed heeft op de laadsnelheid is de temperatuur.

De levensduur is beperkt tot een aantal laadcycli, meestal ongeveer 500 maal volledig laden en ontladen. Op een bepaald moment neemt de capaciteit af waardoor de accu onbruikbaar wordt en gerecycled kan worden. De levensduur is te verlengen door de lading van de Li-ion-accu zo min mogelijk helemaal te gebruiken en zo min mogelijk 100% vol te laden. Bij lage temperaturen (<0°C) dienen Li-ion-accu's niet geladen te worden. Dit beschadigt de accu.

Voordelen:

  • Hoogste energiedichtheid, op de lithium-ion-polymeer-accu na.
  • Geringe zelfontlading (alleen door geïntegreerd regelsysteem).
  • Geen geheugeneffect (geen capaciteitsvermindering bij het consequent laden van een accu voordat hij leeg is).
  • Hoog vermogen (sterk afhankelijk van kathodemateriaal).
  • Milieuvriendelijker dan andere batterijen.
  • Lange levensduur.

Nadelen:

  • Hoge kostprijs.
  • Kans op explosie en brand door hoge temperaturen.

Levensduur[bewerken | brontekst bewerken]

Een nadeel is dat de Li-ion-accu continu zijn capaciteit verliest, al wordt hij niet gebruikt. Dit verlies is groter bij hogere temperaturen. Door dit chemisch verval gaat een laptopaccu ongeveer 3 tot 5 jaar mee. Dit afbraakfenomeen wordt versterkt wanneer de accu volledig is opgeladen.

Bewaartemperatuur Capaciteitsverlies na 1 jaar Capaciteitsverlies na 1 jaar
(half-opgeladen batterij) (volledig opgeladen batterij)
0 °C 2% 6%
25 °C 4% 20%
40 °C 15% 35%
60 °C 25% 40% (na 3 maanden)

Bron: BatteryUniversity.com

Vanwege de hoge kostprijs van Li-ion-accu's is het verantwoord om de levensduur ervan te verhogen. Dit kan met inachtneming van de volgende maatregelen:

Bewaren:

  • Bij een koele omgevingstemperatuur (< 25°C)
  • Niet leeg bewaren, maximaal opgeladen tot 80%

Tijdens gebruik:

  • Niet geheel op- of ontladen. Indien mogelijk de accu tussen 30 en 80% van zijn capaciteit houden zorgt voor een maximale levensduur. Een diepe laadcyclus is slechts sporadisch nodig bij smartaccu's om ze te kalibreren.
  • Zo veel mogelijk opladen met netvoeding. Het gebruik van snelladers vermijden.

De fabrikanten leveren hun Li-ion-accu's meestal af met 40% lading. Daarbij blijft de accu het langste goed.

Recyclage[5][6][7][8][bewerken | brontekst bewerken]

Lithium-ion-accu’s zijn complex en bevatten veel verschillende materialen. Hierdoor is de recyclage van een lithium-ion-accu moeilijk. De accu ondergaat eerst mechanische behandelingen zoals scheiding, reiniging en vermaling. Gedurende deze processen worden de scheikundige verbindingen waaruit de kunststoffen bestaan niet afgebroken. Daarna worden plastics, aluminium en koper gescheiden aan de hand van pyrolyse. De gepyrolyseerde materialen worden vermalen en gezeefd. Door magnetische separatie worden de ijzerhoudende metalen gescheiden van de oxiden en hydroxiden. Het mengsel dat nu overblijft, bestaat uit lithium, mangaan, kobalt en nikkel in verschillende verhoudingen. De metalen dienen opnieuw als grondstoffen voor diverse industrieën. Lithium-ion accu’s worden vaak niet gerecycleerd, mede door het feit dat het economisch (nog) niet interessant is (tot 2020).

Zie ook[bewerken | brontekst bewerken]

Externe link[bewerken | brontekst bewerken]

Zie de categorie Lithium-ion batteries van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.