Litiumbatterier

Begreppet litiumbatterier, eller egentligen litiumceller, beskriver en grupp av olika batterisystem där litium (i form av litiummetall) används som anodmaterial. Dessa batterier brukar också kallas litiummetallbatterier för att särskilja dem ifrån de laddningsbara litiumjonbatterierna.

Under det senaste årtiondet har en snabb utveckling skett med nya produkter som ställer höga krav på kompakta batterier med hög energitäthet och låg vikt för att kunna strömförsörja t.ex. dörrlåssystem, produkter inom IoT, vatten & gasmätare samt brandvarnare. Litiumcellens egenskaper stämmer väl in på dessa högt ställda krav och är dessutom bättre än alkaliska batterier på att hantera höga strömmar.

Uppbyggnad

Litiummetallceller i genomskärning: cylindrisk cell av spiral-typ (vänster), knappcell (mitten) samt cylindrisk cell av bobin-typ (höger).

Alla litiumceller innehåller en anod av litiummetall. Elektrolyten i litiumbatterier består av en blandning av organiska lösningsmedel och ett litiumjon-innehållande salt. Olika lösningsmedel och salter används för de olika kemierna. Eftersom spänningen hos litiumbatterier ligger mellan 1,5 och 3,6 V (beroende på katodmaterial) kan inte vatten användas som elektrolyt eftersom vatten sönderdelas över 1,23 V (till syrgas och vätgas). Några av de vanligaste katodmaterialen i litiumceller är mangandioxid, tionylklorid (flytande katodmaterial) och järndisulfid. Vanligtvis används ett poröst kolmaterial som strömtilledare på katodsidan.

En litiumcell är uppbyggd av tunna elektrodskikt som antingen rullas ihop i fler lager i en cylindrisk cell eller stackas på hög i en prismatisk eller knappcell. Elektroderna separeras av en tunn porös separator av polymer alternativt en fiberseparator. Vissa typer av litiumceller förekommer även i bobin-utförande vars uppbyggnad mer liknar den för ett brunstensbatteri där hela katoden innesluts av separatorn och anoden av litiummetall. Cellkannorna som elektrodsammanställningen placeras i består oftast av rostfritt stål eller aluminium.

Litiumcellerna är ofta försedda med en säkerhetsventil som vid en eventuell kortslutning frigör cellens inre tryck samt en automatisk återställbar säkring, ett s.k. PTC-motstånd, som begränsar strömmen och hindrar battericellen från att bli överhettad, exempelvis vid en oavsiktlig kortslutning.

Egenskaper

Genom att använda olika katodmaterial och olika elektrolyter erhåller litiumcellen olika egenskaper. Varje litiumsystem har med andra ord sitt eget unika och utmärkande drag som särskiljer sig från andra litiumsystem i termer av: urladdningskarakteristik, strömtålighet, energitäthet, arbetstemperatur, design (spiral/bobin-typ) m.m. Generellt har primära litiumceller en lagringstid på 10-15 år, vilket är längre än för ett alkaliskt batteri. Kapaciteten för en litium-baserad cell kan vara upp till dubbelt så stor som motsvarande alkalisk- eller nickel-metallhydridcell av samma storlek under samma användningsförhållande (se bild nedan). Notera att grafen nedan anger drifttid (vilket går att likställa med tillgänglig kapacitet) vid en given kontinuerlig urladdning och vid en temperatur av 21°C.

Typisk urladdningskurva för en litiumcell av järndisulfid-typ i jämförelse med ett alkaliskt batteri och ett nickel-metallhydrid batteri (källa: Energizer)

Litium-mangandioxid

Celler baserade på litium/mangandioxid har en nominell cellspänning på 3,0 V och en mycket brett temperaturspann från -40 °C till +85 °C. Celler av denna typ passar bra för tillämpningar med låga strömuttag där cellerna inte får kosta för mycket. På grund av sin höga cellspänning brukar denna celltyp oftast inte förekomma i storlekarna AA och AAA på konsumentmarknaden för att undvika felaktig användning i applikationer avsedda att drivas av alkaliska batterier (lägre cellspänning) och därigenom minimera risken att förstöra utrustning som inte är avsedd för den högre spänningen.

Litium-tionylklorid

Den nominella cellspänningen för celler baserade på litium/tionylklorid är 3,6 V. Celler av denna typ kan fungera i temperaturer ned till -55 °C och fortfarande ha kvar minst 50 % av sin ursprungs-kapacitet. De fungerar även bra vid så höga temperaturer som +85 °C. Denna celltyp passar bra för tillämpningar med mycket låga strömuttag under lång tid. Dock är tionylklorid giftigt och därför är dessa typer av celler mer ovanliga i konsumentapplikationer. Största användningsområdena är istället inom olika typer av militära och industriella applikationer.

Litium-järndisulfid

Celler baserade på litium/järndisulfid är vanligt förekommande i samma formfaktorer som alkaliska batterier tack vare en cellspänning på 1.5 V, vilket gör den säker att använda som utbytescell där alkaliska batterier normalt används. Celler med litium/järndisulfid har ett bredare temperaturspann (‑55 °C ~ +60 °C), längre livslängd, lägre självurladdning och klarar högre urladdningsströmmar än alkaliska batterier. Dock är den något dyrare än brunstens- och alkaliska batterier vilket ibland kan väga till fördel för de alkaliska varianterna.

Fördelar och nackdelar

Fördelar

Litiumceller har jämfört med alkaliska batterier generellt högre kapacitet, bättre förmåga att hantera höga pulsströmmar, mycket lång livslängd och lång lagringstid. Cellspänningen är även betydligt högre (3,0 V eller 3,6 V beroende på katodmaterial) vilket bidrar till ett högre energiinnehåll.

Nackdelar

Litiumcellernas höga energiinnehåll kan också medföra en ökad risk ur ett säkerhetsperspektiv om cellen inte hanteras på ett korrekt sätt. Det som kan hända om en litiumcell t.ex. råkar kortslutas är att det, i värsta falla, kan uppstå en brand som då ofta blir kraftfullare än för en alkalisk cell av samma format. Anledning till detta är att det finns mer energi i en litiumcell som till stor del omvandlas till värme samt att elektrolyten är brännbar (i ett alkaliskt batteri är elektrolyten vattenbaserad och inte speciellt brandfarlig). Dock ska man komma ihåg att litiumceller vid normalt användande inte utgör någon fara.

Transport

Speciella regler gäller för transporter av litiumbatterier eftersom dessa 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 litiumbatterier ha genomgått testning enligt UN Manual of Tests and Criteria, del III, subsektion 38.3 (förkortat ”UN38.3-testning”) innan de får skeppas.