Je hebt ze waarschijnlijk wel eens op je laptop gezien. Ze staan op je telefoon. Het voedt de PDA’s en mediaspelers die we aanbieden. De reden dat deze apparaten in hun huidige vorm bestaan, is simpel. Lithium-ionbatterijen bieden een grote hoeveelheid energie in verhouding tot hun gewicht. Het is ook een van de krachtigste oplaadbare opties op de markt.
Maar je hebt waarschijnlijk de horrorverhalen gehoord. Lithium-ionbatterijen kunnen vlam vatten. Dit is zeldzaam, aangezien ongeveer twee of drie op een miljoen pakketten deze mislukking ervaren. Maar als het mislukt, zijn de gevolgen gewelddadig. Het aantal mislukkingen kan omhoogschieten, wat leidt tot wereldwijde terugroepacties en fabrikanten miljoenen dollars kost.
Dus waarom zijn ze zo populair? Waarom vat het vlam? Wat kunnen we echt doen om dit te voorkomen of te laten duren? We breken de wetenschap en de veiligheid af.
Voordelen van energiedichtheid
Lithium-iontechnologie is mainstream omdat deze beter presteert dan de traditionele chemie op vrijwel elke maatstaf die voor consumenten van belang is.
Ten eerste is er het gewicht. Een typische lithium-ionbatterij kan 150 wattuur aan stroom opslaan in slechts één kilogram. Vergeleken met andere veel voorkomende soorten is het verschil enorm. NiMH-batterijen (nikkelmetaalhydride) kunnen 100 wattuur per kilogram opslaan, maar 60-70 wattuur komt vaker voor. Loodzuuraccu’s? Lastig om 25 wattuur per kilo op te slaan.
Om dezelfde energie uit loodzuur te halen, heb je een batterij van 6 kg nodig. Dat is een verschil van 6x. De elektroden zijn gemaakt van licht lithium en koolstof. Lithium is zeer reactief. De atoombindingen slaan grote hoeveelheden energie op, waardoor lithium-ionbatterijen een hoge energiedichtheid hebben.
Geen geheugeneffect en langzame zelfontlading
Afgezien van het gewicht houden deze batterijen hun lading veel beter vast dan hun voorgangers. Lithium-ionbatterijen verliezen slechts ongeveer 5% van hun lading per maand. NiMH-batterijen verliezen 20% van hun lading. Als je de apparaten een maand met rust laat, begin je niet helemaal opnieuw.
Er is ook geen geheugeneffect. Het is niet nodig om de batterij volledig leeg te maken voordat u deze oplaadt. Dit gemak heeft de manier veranderd waarop we draagbare elektronische apparaten gebruiken. Laad uw batterij op wanneer wij dat willen, niet omdat de batterij erom vraagt.
Lithium-ionbatterijen zijn bestand tegen honderden laad-ontlaadcycli zonder noemenswaardige degradatie. Voor de gemiddelde gebruiker betekent dit jarenlange betrouwbare service.
De gebreken: degradatie en gevaar
Deze batterijen zijn niet perfect. Ze hebben ernstige zwakheden.
De verslechtering begint zodra het de fabriek verlaat. De levensduur van lithium-ionbatterijen is 2-3 jaar vanaf de productiedatum. Zelfs als je het niet opent, doodt de tijd ze.
Hitte is hun vijand. Hoge temperaturen zorgen ervoor dat lithium-ionbatterijen veel sneller verslijten dan normaal. Als u uw telefoon in een hete auto laat liggen, kan de levensduur ervan worden verkort.
Lithium-ionbatterijen falen als ze volledig leeg zijn. Een diepe ontlading vernietigt de chemicaliën permanent.
Voor de bediening van het toestel heeft u tevens een boordcomputer nodig. Dit voegt kosten en complexiteit toe. Lithium-ionbatterijen vereisen dit managementsysteem om overladen en overmatig ontladen te voorkomen. Dit maakt ze duurder dan gewone batterijen.
Er bestaat ook brandgevaar. Als de lithium-ionbatterij niet werkt, bestaat er een kleine kans dat deze in brand vliegt. Dit is niet alleen een theoretisch risico. Dit is een bekend gevaar en fabrikanten werken er voortdurend aan om dit te verminderen.
Interne chemie
Om te begrijpen waarom deze batterijen zich gedragen zoals ze doen, moeten we erin kijken. De chemie bepaalt alles, van waarom iets licht is tot waarom het explodeert. We zullen daar hierna op ingaan.
Je zult niets magisch ontdekken als je een laptopbatterij uit elkaar haalt. Het zijn gewoon cellen en circuits. Dit wordt niet aanbevolen. Een kortsluiting in lithium-ionbatterijen kan brand veroorzaken. Maar als je hem eenmaal veilig uit elkaar kunt halen, zul je merken dat de interne structuur verrassend consistent is, ongeacht merk of model.
De kern bestaat uit een lithium-ionbatterij. Ze bestaan in twee hoofdvormen. Cilindrische batterijen zien eruit als extra grote AA-batterijen. Prismatische cellen zijn platte rechthoeken. Ze zijn gestapeld of gewikkeld in een metalen omhulsel. Die schaal is niet alleen een verpakking. Het houdt de druk vast. Wanneer de interne druk te hoog wordt door hitte of overbelasting, gaat de ontluchting open. Er komt gas vrij. Daarna is de batterij waarschijnlijk dood. Dit is een fail-safe apparaat. Vermijd explosiescenario’s. Er zijn ook schakelaars met positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC). Het schakelt de stroom uit als het te warm wordt.
Maar het echte verhaal is de controller.
Hersenen in een baksteen
Begraven tussen de cellen ligt een klein moederbord. Het is eigenlijk een microcontroller. Dit Batterijbeheersysteem zorgt voor alles.
Monitoring en controle omvat:
- Temperatuursensor controleert voortdurend het temperatuurniveau.
- Spanningsomzetters en regelaars houden stroom en spanning binnen veilige grenzen.
- Beschermde laptopconnector zorgt ervoor dat stroom en gegevens tussen de batterij en de laptop kunnen stromen.
- Voltage Tap bewaakt de energiecapaciteit van elke batterij.
- Oplaadstatusmonitor werkt als een minicomputer. Pas het downloadproces aan om de snelheid en verzadiging te maximaliseren.
Deze computer is complex. Het werkt door zijn eigen energie uit de batterij te halen. Lithium-ionbatterijen hebben een laag energieverbruik en verliezen ongeveer 5% van hun lading per maand wanneer ze niet worden gebruikt.
Waarom is mijn batterij leeg?
Het managementsysteem kent strikte regels. Als de batterij tijdens gebruik of opladen te heet wordt, schakelt de controller de stroom uit. Het probeert af te koelen. Misschien heb je dit al eerder gezien. Laat uw laptop in een hete auto achter. Probeer het in te schakelen. De accucontroller voorkomt starten. Wacht tot de temperatuur daalt.
Het bewaakt ook de gezondheid van uw cellen. De batterijeenheid schakelt uit wanneer de batterij helemaal leeg is. Diepontlading kan lithiumionbatterijen vernietigen. De controller laat je geen beschadigd pakket gebruiken.
Het houdt ook de laad-/ontlaadcycli bij. Deze informatie wordt ingevoerd in de batterijmeter van de laptop. Zo weet het besturingssysteem hoeveel stroom er nog over is. Dit is geen gok. Het krijgt realtime gegevens van de boordcomputer.
De metalen behuizing is erg belangrijk
De behuizing is meestal van metaal. Dit is niet willekeurig. Lithium-ionbatterijen werken onder druk. Metalen behuizingen zijn bestand tegen deze druk. Het beschermt ook de interne elektronische componenten.
Het ventilatiegat is van cruciaal belang. Het is drukgevoelig. Als de batterij oververhit raakt en kan ontploffen, komt overtollig gas vrij via de ventilatieopeningen. Dit is een eenrichtingsstraat. Zodra het ontlucht, is de verzegeling verbroken. De batterij is beschadigd.
De PTC-schakelaar werkt samen met de ontluchter. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de weerstand toe om oververhitting te voorkomen. Dit beperkt de stroomstroom. Dit bespaart tijd totdat het systeem afkoelt of de gebruiker de oplader loskoppelt.
Deze veiligheidsvoorzieningen zijn de reden dat moderne batterijen niet elke keer ontploffen als ze worden opgeladen. Maar ze betekenen ook dat batterijen complexer zijn dan eenvoudige energieopslag. Het is het actieve ingrediënt. Ik denk erover na. Het is besloten. In sommige gevallen wordt u mogelijk gevraagd te wachten.
Binnen in de cel
Verwijder de metalen behuizing om een lange spiraal te onthullen. Het zijn niet alleen maar draden. Het wordt gemaakt door drie dunne plakjes stevig tegen elkaar te drukken.
–Positief
–Negatieve pool
– scheidingsteken
Week het in een organisch oplosmiddel. Ether is hier heel gebruikelijk. Het oplosmiddel doet het zware werk als de elektrolyt.
Separators zijn onbezongen helden. Dit is een microporeus plastic vel. Dun als vloeipapier. Zijn taak is eenvoudig maar streng. Voorkomt dat positieve en negatieve aansluitingen elkaar raken. Contact veroorzaakt kortsluiting. Het laat echter ionen door. Deze poriën zijn klein genoeg om fysiek contact te voorkomen, maar open genoeg om het lithium te laten zwemmen.
De interne chemische samenstelling is specifiek. Als positieve elektrode wordt lithiumkobaltoxide (LiCoO2) gebruikt. Negatieve elektrode? Gewoon koolstof.
Tijdens het opladen verandert de balans. Lithiumionen komen uit LiCoO2. Ze passeren elektrolyten. Ze landen op de koolstof.
Bij het ontladen wordt de stroom omgekeerd. De ionen keren terug van koolstof naar LiCoO2.
Dit is een eenvoudige lus. Als u echter een fout maakt, brandt uw telefoon.
De chemische reacties in een lithium-ionbatterij zijn een hoogspanningsspel. Elke individuele cel produceert 3,7 volt. Dit getal is belangrijk omdat het meer dan tweemaal de 1,5 volt is van een standaard AA-alkalinebatterij. Je kunt deze bij elke supermarkt kopen. Een hogere spanning betekent dat er minder batterijen in serie hoeven te worden geschakeld om het apparaat van stroom te voorzien. Minder cellen betekent minder fysieke ruimte. Deze efficiëntie maakt smartphones erg dun en licht. Dit is geen magie. Het verhoogt alleen maar de energiedichtheid.
Voordelen van spanning in draagbare technologie
Als je ooit een onhandige oude klaptelefoon hebt vergeleken met een moderne glasplaat, zit het verschil in de chemische samenstelling ervan. Alkalinebatterijen zijn groot. Er zijn meerdere eenheden nodig om de vereiste spanningen voor complexe circuits te bereiken. Lithium-ionbatterijen kunnen dezelfde functie vervullen met een fractie van het formaat. Deze compact is de belangrijkste reden waarom we zakvriendelijke apparaten hebben. Maar er zijn ook compromissen. Een hoge energiedichtheid betekent ook dat er veel energie vrijkomt als er iets misgaat. We komen binnenkort bij het explosiegedeelte. Laten we eerst eens kijken hoe we het langer kunnen laten duren.
Verleng de levensduur van de batterij
We willen de levensduur van lithium-ionbatterijen verlengen. Niemand wil een steen dragen die voor de middag uit elkaar valt. Het doel is om de levensduur van lithium-ionbatterijen te verlengen zonder de dagelijkse taken onnodig te compliceren. Deze chemische stof is gevoelig voor hitte en extreme oplaadomstandigheden.
– Vermijd volledige ontladingen. ** Als u uw telefoon volledig laat leeglopen, kunnen de elektrolyten onder druk komen te staan.
– ** Blijf niet voor altijd op 100%. ** Maximale spanning versnelt degradatie.
– Houd het koel. ** Warmte is je vijand. Laat het apparaat niet achter in een hete auto.
De meeste fabrikanten raden aan om de lading tussen 20% en 80% te houden voor dagelijks gebruik. Dat betekent niet dat het perfect is. Dit vermindert de spanning op de interne componenten. Er zijn geen speciale applicaties nodig om het te beheren. Verwijder hem pas als de batterij bijna vol is. Niet tot nul aftappen.
Waarom ontploffen lithium-ionbatterijen?
Je hebt het verhaal waarschijnlijk wel gehoord. De telefoon staat in brand. Laptops die in brand vliegen. Klinkt als sciencefiction. Maar dit is een groot risico voor de lithiumionchemie. Waarom explodeert het?
Het antwoord ligt in elektrolyten. Ontvlambaar. Thermische runaway treedt op wanneer interne structuren falen. Warmte bouwt zich op. Warmte produceert meer warmte. De separator tussen de anode en de kathode smelt. De twee partijen raken elkaar. Er is kortsluiting opgetreden. Ontvlambare elektrolyten kunnen ontbranden.
Dit gebeurt niet vaak. Moderne apparaten hebben veiligheidscircuits die de stroom uitschakelen voordat ze te heet worden. Maar als de veiligheid in het gedrang komt, zijn de gevolgen gewelddadig. De druk in de gesloten behuizing neemt toe. Uiteindelijk barst de schaal. Er vindt ontluchting plaats. Ontsteking kan optreden.
We hebben onderzocht hoe hoge spanning deze batterijen compact en efficiënt kan maken. We hebben gekeken hoe we hun levensduur kunnen verlengen. We hebben de gevaren van thermal runaway al besproken. Technologie is krachtig. Het is ook instabiel. Er is een delicaat evenwicht tussen prestaties en veiligheid. Wij gebruiken deze apparaten dagelijks. Je vertrouwt erop dat ze je huis niet afbranden. In de meeste gevallen is dit vertrouwen gerechtvaardigd. Maar de onderliggende chemie is nog steeds sterk.
Maximaliseer de levensduur en veiligheid van de batterij
Lithium-ionbatterijen zijn duur. Als u wilt dat uw product langer meegaat onder de garantie, moet u de manier veranderen waarop u ermee omgaat. De chemie houdt niet van diepe ontladingen. Geeft de voorkeur aan een gedeeltelijke ledigingscyclus. Verlaag de spanning niet tot nul. Veroorzaakt blijvende schade aan cellen. Het heeft geen “geheugeneffect”, dus vroeg opladen zal de batterij niet beschadigen. Blijf weg van de absolute bodem.
Veroudering is onvermijdelijk. Deze pakketten gaan twee tot drie jaar mee. Verzamel geen batterijen met het idee dat ze vijf jaar meegaan, ook al heb je ze nog nooit aangesloten. Nee. Controleer bij het kopen van reserveonderdelen de productiedatum. Als je het zelfs maar een jaar in de kast laat staan, wordt de levensduur ervan verkort.
Warmte is je vijand. Hoge temperaturen kunnen de prestaties van interne componenten snel verslechteren. Houd uw apparaat koel.
Waarom ontploffen lithium-ionbatterijen?
Wij weten hoe ze meegaan. Laten we nu eens kijken waarom ze soms catastrofaal falen.
Er ontstaat brand wanneer de interne temperatuur stijgt en de elektrolyt ontbrandt. Virale video’s van rokende laptops bewijzen de ernst van het probleem. Het rapport van de Canadian Broadcasting Corporation (CBC) “Summer of Laptop Explosions” beschrijft verschillende van dergelijke incidenten.
Deze branden worden meestal veroorzaakt door interne kortsluiting. In een lithium-ionbatterij scheidt een separator de positieve en negatieve elektroden. Als die separator lek raakt, raken de elektroden elkaar. Hierdoor warmt het snel op. Je hebt dit waarschijnlijk wel eens zien gebeuren als je een 9 volt batterij in je zak hebt. Als u de aansluitingen kortsluit met een muntstuk enz., ontstaat er een aanzienlijke hoeveelheid warmte.
Bij lithium-ionbatterijen vindt deze kortsluiting intern plaats. De hoeveelheid energie die vrijkomt is enorm. Door de hitte wordt het organische oplosmiddel afgevoerd dat als elektrolyt wordt gebruikt. Een vonk of omgevingswarmte kan brand veroorzaken. Als een batterij vlam vat, kan de thermische cascade zich verspreiden naar andere delen van de batterij. De hele eenheid gaat omhoog.
Branden zijn zeldzaam. Toch waren een paar incidenten en een paar nieuwsberichten voldoende om een grote terugroepactie teweeg te brengen.
Veelgestelde vragen over lithium-iontechnologie
Hoe lang gaat een lithium-ionbatterij mee?
Het kan honderden oplaadcycli ondersteunen. In werkelijkheid bedraagt de verwachte levensduur 2-3 jaar voordat de capaciteit aanzienlijk verslechtert.
Wat is precies een lithium-ionbatterij?
Oplaadbare batterij in laptops en mobiele telefoons. Wanneer lithiumionen van de negatieve elektrode via de elektrolyt naar de positieve elektrode bewegen, wordt elektriciteit gegenereerd.
Hoeveel kosten lithium-ionbatterijen?
BloombergNEF meldt dat de gemiddelde kosten in 2020 $137 per kilowattuur bedroegen. Smartphone-batterijen kosten tussen de $ 2 en $ 4. Batterijpakketten voor elektrische voertuigen kosten tussen de $ 7.000 en $ 20.000. De prijzen zijn de afgelopen tien jaar met ongeveer 88% gedaald en zullen blijven dalen.
** Wat zijn de belangrijkste nadelen?**
Soms kan het vlam vatten. Het percentage mislukkingen is erg laag, ongeveer twee tot drie verpakkingen per miljoen. Het is erg gevoelig voor hitte, wat de achteruitgang ervan versnelt. De veroudering begint zodra het de fabriek verlaat. Ongebruikte tijd stopt de klok niet.
Is er betere batterijtechnologie?
Nog niet. Momenteel is er geen andere batterijtechnologie die kan concurreren met de lithium-iontechnologie. Er wordt een hogere energiedichtheid bereikt. Ondersteunt meerdere cycli. Het laadt sneller op. En in veel gevallen zijn ze veiliger in gebruik dan de alternatieven.
