Litiumjonbatterier

Egenskaper

Hög cellspänning:

Den nominella spänningen ligger på 3,3 – 3,7 V jämfört med 1,2 V hos NiMH-cellen.

Hög energitäthet jämfört med många andra batterisystem:

Energitätheten (Wh per vikt- eller volymenhet) varierar beroende på kemi men är genomgående högre än för NiMH.

(Energi = kapacitet x spänning, Wh = Ah x V)

Litiumjonbatterier är en familj av batterier som består av olika elektrodmaterial där battericellens lagrade energi utvinns genom att litiumjoner rör sig mellan elektroderna i batteriet. Genom att använda olika sammansättning i anod- och katodmaterial och elektrolyt erhåller battericellen olika egenskaper.

Anod

Anoden i dagens litiumjonceller består av en grafitmix. Det har dock blivit vanligare och vanligare att man blandar i några procent kisel, upp mot 5 %, för att öka energitätheten något.

I vissa celler för specialtillämpningar kan litiumtitanat (LTO eller Li4Ti5O12) användas. Titanaten har som fördel att det klarar av mycket höga upp- och urladdningsströmmar, klarar av många cykler (antal upp- och urladdningar) och har en lång livslängd men har nackdelen av att det sänker den totala cellspänning (~2,4 V) vilket gör det mindre attraktivt ur energitäthetssynpunkt samt att de är dyrare än litiumjonceller med grafitanod.

Katod

De vanligaste katodmaterialen i dagens litiumjonceller består av någon typ av metalloxid alternativt järnfosfat. Det finns ett flertal olika katodmaterial som på grund av sina ingående komponenter och uppbyggnad skiljer sig åt gällande energidensitet, effektuttag, livslängd, kostnad och säkerhet vilket gör att de lämpar sig bättre eller sämre för användning i en viss applikation. Eftersom de flesta av dagens kommersiella litiumjonbatterier använder grafit som anod är det valet av katodmaterial som till mångt och mycket avgör battericellens egenskaper som t.ex. hur snabbt cellen kan laddas ur och hur hög energitäthet en viss cell har.

Litium-koboltoxid (LiCoO2 eller LCO)

Litium-koboltsystemet var den första kemin som lanserades på 1990-talet och var länge den vanligaste litiumjonkemin på marknaden för strömförsörjning av bärbar utrustning såsom mobiltelefoner, kameror, laptops m.m. LCO har en hög energitäthet men klarar endast relativt låga laddnings-/ urladdningsströmmar (lågt effektuttag) och är även känslig för överladdning och höga temperaturer. Elektrodmaterial innehållandes kobolt har även på senare tid förknippats med både ekonomiska och etiska problemställningar då mycket av koboltbrytningen sker i Kongo.

Litium-mangandioxid (LiMn2O4 eller LMO)

Litium-mangandioxid tillåter högre effektuttag jämfört med LCO och är mindre känslig för höga temperaturer. Katodmaterialet är, jämfört med koboltinnehållande material som t.ex. LCO, ett billigare alternativ eftersom tillgången på mangan inte är lika begränsad som kobolt. LMO har däremot en något sämre livslängd än LCO. Battericeller baserade på LMO har idag ett begränsat användningsområde eftersom liknande egenskaper men bättre livslängd kan fås av celler baserade på NMC (se nedan).

Litium-nickel-mangan-koboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC)

Katodmaterialet är en metalloxid innehållande nickel (Ni), mangan (Mn) och kobolt (Co). Det finns flera varianter av detta elektrodmaterial där förhållandet mellan Ni, Mn och Co varierar (benämnda 111, 532, 622, 811 där respektive siffra anger andelen Ni, Mn respektive Co) som ger det varierande egenskaper gällande t.ex. energidensitet, säkerhet och livslängd. Generellt har NMC hög energitäthet, ganska hög effekttäthet och bra livslängd. NMC är idag det dominerande katodmaterialet som merparten av biltillverkare använder i sina hybrid- och elbilar.

Litium-nickel-kobolt-aluminiumoxid (LiNiCoAlO2 eller NCA)

NCA har hög energitäthet, ganska hög effekttäthet och lång livslängd men innehåller kobolt precis som LCO och NMC. En nackdel med NCA är den höga kostnaden samt dess lägre stabilitet framför allt vid höga temperaturer. NCA är den kemi som Tesla framförallt har använt till sina elbilar.

Litium-järnfosfat (LiFePO4 eller LFP)

Litium-järnfosfat har hög effekttäthet och mycket bra livslängd och är mer termiskt stabilt än de andra katodmaterialen. LFP har dock nackdelen att det ger något lägre cellspänning (~3,3 V) vilket också påverkar energitätheten negativt. I framförallt Kina så är LFP vanligt i batteripack i elbussar mycket tack vare att den kinesiska staten gett subventioner till tillverkare av katodmaterialet.

Säkerhet

Under normal användning är litiumjonbatterier inte farligare än alkaliska batterier men när batterierna skadas, utsätts för höga temperaturer eller på annat sätt används utanför vad de är specificerade för så kan det i värsta fall ske allvarliga incidenter så som brand eller explosion. Anledningen till detta är att energin som finns i litiumjonbatterier är mycket större än för ett alkaliskt batteri av samma storlek. Ytterligare en anledning är att litiumjoncellen innehåller en elektrolyt som består av brandfarliga organiska lösningsmedel som är lättantändliga även vid rumstemperatur tillskillnad från ett alkaliskt batteri där elektrolyten är vattenbaserad och inte speciellt brandfarlig. Generellt sett är det viktigt att alltid hålla sig inom de av tillverkaren specificerade parametrarna, så som upp- och urladdningsströmmar och temperaturspann, för att säkerställa att cellerna används på ett säkert sätt.

Laddning

Laddning av litiumjonbatterier sker nästan uteslutande enligt ett konstant-ström/konstant-spänning förfarande för att skydda battericellerna från att överladdas men ändå uppnå full laddning. Man laddar först cellen med en konstant ström till en förutbestämd spänning och när man nått dit så går man över till att hålla spänningen konstant och låter strömmen klinga av till en låg nivå. Laddning vid temperaturer under noll grader bör alltid undvikas om inte någon annan temperatur finns specificerad från tillverkaren.

Ett vanligt uttryck som används kring laddning (och även urladdning) av litiumjonbatterier är termen state-of-charge, eller förkortat SOC, som är ett sätt att uttrycka ett batteris kapacitet i procent (laddningsgrad). Ett fullt uppladdat batteri har 100 % SOC och ett helt urladdat batteri har 0 % SOC.

C-rate är ett annat uttryck som används för strömmar som har normaliserats mot en specifik cells uppmätta kapacitet för att underlätta när man jämför fler olika batterier. Till exempel så är 1C (C som i C-rate) den ström en cell behöver för att laddas ur på 1 timme och 0,1C (kan även skrivas som C/10) är strömmen som motsvarar en urladdning under 10 timmar.

Lagring

Litiumjonbatterier som inte används bör förvaras vid 15-25 °C, undvik att förvara batterierna i kylskåp då luftfuktigheten kan bidra till att cellen korroderar. Undvik även att förvara batterierna fullt uppladdade under en längre tid då de kan tappa en del av sin kapacitet permanent. Man bör heller inte förvara batterierna i utrustning under lång tid när den inte används. Anledning till detta är att litiumjonceller har ca 1-3 % självurladdning per månad och detta i kombination med krypströmmar från säkerhetselektronik och utrustning så kommer batteriet sakta laddas ur så pass mycket att det inte längre kan användas. En litiumjoncell som laddats ur under 2 V bör av säkerhetsskäl aldrig laddas upp igen.

Uppbyggnad av litiumjonceller

Cylindrisk cell

I cylindriska litiumjonceller är elektroderna långa remsor av metallfolie med belagt elektrodmaterial på båda sidor. Elektroderna (en anod och en katod) rullas ihop, åtskilda av en tunn separator av en porös polymer (plastliknande material) till en cylinder, en s.k. ”jelly roll”, och placeras därefter i ett ytterhölje av rostfritt stål, den s.k. cellkannan.

Prismatisk cell

Elektroderna i en prismatisk cell är antingen långa remsor så som i den cylindriska cellen, men som lindas eller viks ihop istället för att rullas till en cylinderform, eller tvåsidigt belagda, separata ark som läggs på hög, varannan anod och katod, med skikt av separator emellan. Den prismatiska cellkannan är vanligtvis av aluminium.

Pouch cell

Pouch celler brukar vanligtvis använda sig av samma konstruktion som de prismatiska cellerna. Det som skiljer de två celltyperna åt är att cellkannan i en pouchcell utgörs av en tunn laminerad aluminiumfolie, likt det som används som förpackningsmaterial till kaffe. Eftersom pouchcellen inte har ett hårt och robust ytterhölje är de mer känsliga för stötar och slag jämfört ned de cylindriska eller prismatiska cellerna. För att förbättra den mekaniska stabiliteten kapslar man ibland in pouchcellen i ett plasthölje, vilket är vanligt förekommande i t.ex mobiltelefoner.

Knappceller

Litiumjonceller förekommer också i knappcellsformat men utgör en klart mindre marknadsandel jämfört med andra nämnda cellformat. Den interna strukturen består av staplade anoder och katoder där katoden vanligtvis är innesluten i ett separatormaterial. Oftast är dessa batterier inbyggda i produkten och handhas inte enskilt av användaren.

Olika uppbyggnad av litiumjonceller (källa: Nature)

 

Säkerhetselektronik och inbyggda säkerhetsfunktioner

För att skydda litiumjoncellen från överladdning, underurladdning och för höga temperaturer så är det brukligt att man utrustar cellen (alternativt packet) med skyddselektronik. Cellerna har oftast även ytterligare skyddsanordningar så som övertrycksventil och temperatursäkringar (PTC och CID).

Transport

Speciella regler gäller för transporter av litiumjonbatterier eftersom de klassas som farligt gods. Önskat transportsätt avgör vilka lagar och förordningar man måste följa för att få skeppa litiumbatterier. För flygtransport regleras detta i IATAs Dangerous Goods Regulation (IATA DGR), för vägtransport i ADR (den svenska versionen av ADR publiceras av Myndigheten för samhällsskydd och beredskap, MSB) och för sjötransport i IMDG koden.

Oavsett transportsätt måste alla litiumjonbatterier ha genomgått testning enligt UN Manual of Tests and Criteria, del III, subsektion 38.3 (förkortat ”UN38.3-testning”) innan de får skeppas.