Lesezeit: 3 Minuten

Lithium-ion-accu’s zijn de efficiëntste energiedragers die momenteel op de markt zijn. Ze hebben een hoge energiedichtheid, een lange levensduur, zijn onderhoudsarm en verliezen ook na langdurig gebruik weinig tot geen capaciteit. Het is altijd mogelijk deze accu’s tussentijds op te laden, waardoor ze ook bruikbaar zijn in bedrijven waar ploegendiensten worden gedraaid. Dit komt door de samenstelling en het materiaal van de accu. Lithium-ion-accu’s werken volgens een eenvoudig principe: de elektrische energie in de lithium-atomen wordt door een chemisch proces opgeslagen en voor de aandrijving van uiteenlopende voertuigen en apparaten gebruikt, zoals auto’s en elektrische stapelaars.

Kleine krachtpatser – de samenstelling van lithium-ion-accu’s

Een lithium-ion-accu is opgebouwd uit vele cellen. Al deze cellen hebben dezelfde samenstelling en bevatten de volgende bestanddelen:

  • Positieve elektrode: de kathode van een lithium-ion-accu bestaat uit lithium-metaaloxide, dat een variabele hoeveelheid nikkel, mangaan en kobalt kan bevatten. Metaaloxide is een overgangsmetaal.
  • Negatieve elektrode: de anode bestaat meestal uit grafiet.
  • Elektrolyt: watervrij elektrolyt zorgt ervoor dat de lithium-ionen zich in de cel kunnen bewegen. Hierin zijn zouten, zoals lithiumhexafluorfosfaat, in een aprotisch oplosmiddel opgelost. Dit is bijvoorbeeld ethylcarbonaat of di-ethylcarbonaat. Bij lithium-polymeer accu’s bestaat dit uit polyvinylideenfluoride of polyvinylideenfluoridehexafluorpropeen.
  • Separator: om kortsluiting te voorkomen, wordt tussen de elektroden een separator van vlies of polymeerfolie geplaatst. De separator laat lithium-ionen door en kan een grote hoeveelheid van de ionen opnemen.

Aan deze samenstelling, die het bewegen van lithium in geïoniseerde vorm tussen de elektroden mogelijk maakt, ontleent de energiedrager zijn naam lithium-ion-accu. Afhankelijk van het gebruikte materiaal voor de elektroden worden li-ion-accu’s ingedeeld in groepen. De werking van de verschillende lithium batterijen is hetzelfde, maar de energiedichtheid, celspanning, gevoeligheid voor temperatuurschommelingen, capaciteit en de toegestane laad- en ontlaadstroom kunnen variëren door de verschillende overgangsmetaal-ionen. Lithium-ion-accu’s kunnen zijn samengesteld uit:

  • Lithium-polymeer: een folie van polymeer dient hier gelijktijdig als separator en elektrolyt. Deze samenstelling maakt een productie van zeer kleine accu’s mogelijk. De cellen van dit type accu zijn minder dan 0,1 mm dik.
  • Lithium-kobaltoxide: de positieve elektrode van dit type accu bestaat uit lithium-kobaltoxide
  • Lithium-titanaat: de negatieve elektroden bestaan uit nanostructuren van lithium-titanaat, de positieve elektroden bestaan uit lithium-titaniumoxide.
  • Lithium-ijzerfosfaat: de cellen van dit type accu hebben een kathode van lithium-ijzerfosfaat. De elektrolyt heeft een vaste vorm.

Op- en ontladen – de werking van lithium-ion-accu’s

De werking van lithium batterijen berust op de constante beweging van geïoniseerd lithium tussen de elektroden. De stroom aan bewegende lithium-ionen heft de externe stroombeweging op bij het op- en ontladen van de accu, waardoor de elektroden zelf neutraal blijven:

Opbouw en werking van een lithium-ion-accu

Ontladen

Als de accu wordt ontladen – dus als de opgeslagen energie door een apparaat wordt gebruikt ­– geven de lithium-atomen stuk voor stuk een elektron af aan de negatieve elektrode. Via de externe stroomketen wordt de negatieve elektrode weer een positieve. Tegelijkertijd beweegt hetzelfde aantal lithium-ionen zich van de negatieve elektrode door de elektrolytlaag en de separator naar de positieve elektrode. De elektronen worden door de positieve elektrode opgenomen dankzij de sterk geïoniseerde overgangsmetaal-ionen. Deze kunnen per type accu verschillen en bewegen – in tegenstelling tot de lithium-ionen – niet.

Opladen

Bij het opladen van de accucellen bewegen de niet geïoniseerde lithium-atomen van de positieve elektrode door de separator terug naar de negatieve elektrode. Hier worden ze tussen grafietmoleculen opgeslagen. Dit proces wordt ook wel intercalatie genoemd en ontstaat door het opladen met constante energie tot het bereiken van de nominale spanning. Bij het bereiken van de maximale laadspanning stopt dit proces, terwijl de oplaadstroom daalt. In de meeste lithium-ion-accu’s wordt speciale elektronica geplaatst, die een beschadiging van de cellen of thermal runaway – oververhitting – voorkomt. Deze bescherming is aangepast aan de samenstelling van de cellen en gaat zowel het overladen als diepontladen van een accu tegen.

De separator – onmisbaar voor de veiligheid van een lithium-ion-accu

De separator in een lithium-ion-accu stuurt en controleert de elektrochemische reacties binnenin de energiedrager. Aan de ene kant isoleert de separator beide elektroden van elkaar, zodat er geen kortsluiting in de accu kan ontstaan. Tegelijkertijd zorgt de speciale doorlatendheid van de separator ervoor dat uitsluitend lithium-ionen van de negatieve naar de positieve elektrode kunnen bewegen. Verder verzorgt de separator de uitwisseling van gassen in de gesloten lithium-accucellen.

Daarvoor moet dit onderdeel uit microporeuze membranen bestaan, die afhankelijk van het vermogen en de grootte van de batterij kunnen verschillen. Hiervoor worden polymeerfolie, zoals in lithium-polymeer-accu’s, maar ook hittebestendige, keramische separators gebruikt. Door de combinatie van een vlies en een keramische coating zijn de separators zeer flexibel en toch hittebestendig tot 700° C.

Bron afbeelding:
© gettyimages.de – alengo