Lithiumakkumulator

Lithiumakkumulator
Lithium-batteri fra Varta , Museum Autovision , Altlußheim , Tyskland
Egenskaber
Energi / vægt	100 til 250 (teoretisk)  Wh / kg
Energi / volumen	200 til 620  Wh / ℓ
Opladningsudladningseffektivitet	90  %
Energi / offentlig pris	4  Wh / €
Selvudladning	1% til 10% pr. Måned
Livstid	7 år
Antal opladningscyklusser	1.200 cyklusser
Nominel spænding pr. Celle	3,6 eller 3,7  V

En lithiumakkumulator er en elektrokemisk akkumulator, hvis reaktion er baseret på lithiumelementet .

I begyndelsen af XXI th  århundrede, denne type batteri har den højeste specifikke energi (energi / masse-forhold) og den største energitæthed (forholdet energi / volumen).

På grund af risikoen for lithiumeksplosion og forbrænding i denne type akkumulator er de underlagt begrænsninger i transport, især med fly . Litiumbrande tager lang tid at slukke.

Den rover Opportunity indlejrer en akkumulator lithium-ion genopladeligt af dets solpaneler . Det fungerede i mange år på trods af intens kulde ved -100  ° C på planeten Mars .

Tre slags akkumulatorer

Der er tre hovedtyper af lithiumbatterier  :

• den lithiummetal akkumulator , hvor den negative elektrode består af metallisk lithium (et materiale, der udgør sikkerhedsproblemer);
• lithium-ion akkumulatorer , hvor lithium forbliver i de ioniske tilstand takket være brugen af en insertion forbindelse både ved den negative elektrode (generelt i grafit ) og ved den positive elektrode (cobalt dioxid, mangan, jern phosphat);
• lithium-ion- polymer akkumulatorer er en variant og et alternativ til lithium-ion akkumulatorer. De leverer lidt mindre energi, men er meget sikrere.

I modsætning til andre akkumulatorer er lithiumionakkumulatorer ikke knyttet til et elektrokemisk par . Ethvert materiale, der er i stand til at rumme lithiumioner i det, kan danne grundlaget for en lithium-ionakkumulator . Dette forklarer overflod af eksisterende varianter i lyset af konstansen observeret med de andre par. Det er derfor vanskeligt at drage generelle regler om denne type akkumulator, da Mange (mobil elektronik) og høj energi ( bilindustrien , luftfart ,  osv ) markeder ikke har de samme behov med hensyn til varighed. Af liv, omkostninger eller magt .

Lithium-ion batteri

Lithium-ionakkumulatoren fungerer på princippet om den reversible udveksling af lithiumion mellem en positiv elektrode, oftest et lithieret overgangsmetaloxid (cobaltdioxid eller mangan) og en negativ grafitelektrode (sfære MCMB). Brug af en aprot elektrolyt (et LiPF6-salt opløst i en blanding af carbonat) er obligatorisk for at undgå nedbrydning af de meget reaktive elektroder.

Den nominelle spænding af en Li-Ion element er 3,6  V eller 3,7  V . Energitætheden for lithium-ionakkumulatorer kan nå et niveau på 200  Wh / kg .

Lithium-ion polymer (Li-Po) batteri

Elektrolytten er en gelpolymer. Li-ion-polymerakkumulatoren bruger et driftsprincip svarende til Li-ion-akkumulatorer og har lignende egenskaber.

Spændingen i en Li-Po-celle er 3,7  V  ; flere elementer er generelt samlet i "pakker":

• i en serie samling, er spændingerne tilsættes til opnåelse af (3,7  V , 7,4  V , 11,1  V ,  etc. );
• i en parallel samling er kapaciteten af ​​pakken summen af ​​hvert element.

Fordele

• Akkumulator, der kan tage små og varierede former ( modelfly , smartphones , tablets ).
• Kan placeres på en fleksibel støtte .
• Lav vægt (Li-Po eliminerer tungmetalhus).
• Flere livscyklusser (200 til 300 cyklusser generelt).
• Sikrere end Li-ion (mere modstandsdygtig over for overopladning og elektrolytlækage). Konvolutten er dog skrøbelig, hvis den ikke suppleres med mekanisk beskyttelse.

Svagheder

• Dyrere end Li-ion.
• Lavere energitæthed end Li-ion.

Brug

Lithium-batterier er strømkilden til de fleste moderne smartphones , tablets og laptops .

Lithium-polymer akkumulatorer er almindeligt anvendt til energiforsyning til skala modeller (biler, fly, droner,  etc. ), ULMs og paramotorer , elektrisk assisterede cykler , motorcykler, scootere, gokarts samt hoved- eller nødmotorisering af både.

Inden for det aeronautiske område bruger visse modeller (f.eks. Produkterne fra virksomhederne Yuneec (Kina) og Electravia (Frankrig)) siden2007industrielle lithium-polymer batterier som den vigtigste energikilde. Det er også takket være denne teknologi, at7. april 2010Den Solar Impulse , en schweizisk sol fly prototype , med succes afsluttet sin første flyvning.

Lithium-air akkumulator

Den lithium-luft akkumulator anvender lithium-oxygen par som tilbyder en meget høj energitæthed (typisk mellem 1,7 og 2,4  kWh / kg i praksis for en teoretisk tallet 5  kWh / kg ). Dette skyldes på den ene side, at en af ​​komponenterne (ilt) forbliver tilgængelig og uudtømmelig uden at blive opbevaret i akkumulatoren (som i de fleste batterier og luftakkumulatorer), men frem for alt til den lave atommasse og de høje redoxpotentialer for lithium og ilt. Med en spænding på 3,4  V har den dog visse ulemper: korrosion, behov for filtre (kræver meget ren luft) og lav specifik effekt (200  W / kg - 500  W / l ). Disse batterier er endnu ikke på markedet og vil stadig kræve mange års laboratorieforskning.

I Januar 2013, BMW og Toyota arbejder sammen om at udvikle den næste generation af lithium-air-batterier, som vil blive brugt i hybrid- og elbiler .

Lithium-jern-fosfat (LFP) akkumulator

Lithium-jernfosfatbatteriet (LFP), også kaldet LiFe eller LiFePO4, har en lidt lavere spænding (~ 3,3  V ), men er sikrere, mindre giftigt og til en lavere pris. Faktisk kommer prisen på lithium-ion-celler og batterier i vid udstrækning fra de materialer, der anvendes ved katoden, som indeholder cobalt eller nikkel, meget dyre metaller og vanskeliggør deres indkøb fra forskellige leverandører.

I et lithium fosfat batteri akkumulator , standard LiCo x Ni y Al z O 2 katoder er erstattet med lithium jernphosphat LiFePO 4 , et materiale, der er billigt, fordi det ikke indeholder sjældne metaller og er ugiftigt modsætning cobalt. Derudover er denne katode meget stabil og frigiver ikke brint, der er ansvarlig for eksplosioner og brande i Li-ion-batterier, hvilket gør det mere sikkert.

For industriel udvikling i elektriske køretøjer (indeholdende ca. 30  kWh akkumulatorer) er det nødvendigt med en prisnedsættelse. I 2007 er omkostningerne ved en LFP-akkumulator over € 1.000  / kWh og skal sænkes til under € 500  / kWh for at nå dette marked. Nogle kinesiske producenter tilbyder15. juni 20113,2 V 16  Ah (eller 51  Wh ) akkumulatorer  til $ 21  eller € 15  , hvilket giver en pris på ca. € 300  / kWh . Bemærk, at denne type batteri kræver brug af et BMS-sikkerhedssystem (Battery Management System) ; BMS tilføjer ca. 20% til prisen.

Der er imidlertid stadig forskning i gang for at sikre deres levetid, bringe deres kapacitet til niveauet for andre Li-ion-teknikker og på lang sigt forbedre deres modstandsdygtighed over for høje temperaturer: det ser ud til, at opløsningen af ​​jern (begunstiget af temperatur) negativt påvirker cyklabiliteten af ​​denne type akkumulator.

I marts 2009 udviklede et team fra Massachusetts Institute of Technology en proces, der markant øger opladningshastigheden for lithium-ion-batterier, som findes i de fleste af vores højteknologiske enheder. Denne opdagelse åbner nye muligheder inden for elbiler, hvis største problem ud over omkostningerne er batteriets genopladningstid.

Egenskaber

Dens massefylde er 200  Wh / kg forventet i 2020, og volumendensiteten er 400  Wh / L , så det er et kraftigt batteri, men tungt for sin størrelse sammenlignet med NCM-teknologier ( nikkel - kobolt - mangan ).

Den annoncerede batterilevetid (80% kapacitet) er i størrelsesordenen syv år og 3000 cyklusser ved + 1 / -1 ° C ved 23  ° C eller tre år og 1500 cykler ved +1, 2 / -8 ° C til 23  ° C . Det ser ud til, at batterierne tåler høj effekt og høje temperaturer godt, men at dette forringer deres levetid.

Fordele

Sammenlignet med andre akkumulatorer:

• lavere omkostninger
• længere levetid
• mindre termisk reaktiv
• høj effekttæthed og volumen;
• fravær af kobolt (etisk problem på grund af betingelserne for ekstraktion i DRC ).

Ulemper

• Lavere massekapacitet.
• Lavere spænding, hvilket kræver flere celler i serie for at fremstille et trækkraftbatteri til elbiler.

Lithiummetalpolymerbatteri (LMP)

Lithiummetalpolymerbatterier (LMP), der er målrettet mod bilmarkedet, udvikles af to virksomheder, Batscap (Ergué-Gabéric, Frankrig) og Bathium (tidligere Avestor) (Boucherville, Quebec). Sidstnævnte blev købt den6. marts 2007af den franske koncern Bolloré (95% ejer af Batscap) i forventning om dens anvendelse på koncernens elektriske køretøj, Bluecar , der især anvendes i Autolib - delingsnetværket i Paris.

LMP-akkumulatorer er i form af en såret tynd film. Denne film, med en tykkelse på omkring hundrede mikrometer , består af 5 lag:

1. Isolering  ;
2. Anode  : lithiumstrimmel
3. Elektrolyt  : sammensat af polyoxyethylen (POE) og lithiumsalte.
4. Katode  : sammensat af vanadiumoxid , kulstof og polymer.
5. Strømopsamler: metalstrimmel, bruges til at sikre den elektriske forbindelse.

Egenskaber

• Massedensiteten er 110  Wh / kg , hvilket er lavere end lithium-ion-batterier , men næsten 2,5 gange højere end blybatterierne (~ 40  Wh / kg ), den tynde filmstruktur er let og maksimerer det nyttige energilagringsområde.
• Der er ingen hukommelseseffekt  ; det er derfor ikke nødvendigt at tømme akkumulatoren helt, før den oplades igen.
• Den annoncerede levetid for batterier ved hjælp af denne teknik er i størrelsesordenen ti år.

Fordele

• Fuldt solid (ingen eksplosionsrisiko)
• Intet større forurenende stof i sammensætningen af ​​akkumulatoren (undtagen hvis der anvendes vanadiumoxid ).
• Let genbrug (ved at knuse og adskille komponenterne)

Ulemper

• Optimale høje temperatur drift, hvilket betyder, at batterierne "ville skulle holdes ved 80 ° C er konstant" , bevist driftstemperatur for batterierne Batscap har en rapporteret indre temperatur på 60 til 80  ° C .
• For at blive holdt ved 80  ° C trækker batteriet på sine egne reserver og kan i visse tilfælde være tomt om tre dage; denne begrænsning er forskellig fra selvafladningen af ​​batteriet, som er i størrelsesordenen 9% pr. måned.
• Et "koldt" batteri skal opvarmes inden brug, hvilket forlænger idriftsættelsen af ​​et køretøj, der er udstyret således.

Lithium-titanat akkumulator

Den lithium titanate akkumulator er en videreudvikling af lithium akkumulator udviklet af Toshiba under navnet Super Charge ion batteri (SCiB).

Lithium tilgængelighed

I fremtiden frygter nogle, at billigt lithium løber tør, fordi det er meget rigeligt på Jorden, men de steder, hvor det er let og billigt at udvinde, er sjældne . Mere end 75% af produktionen kommer fra salærene i Sydamerika, Chile , Argentina og siden 2008 , fra Bolivia . En stigning i lithiumomkostninger ville have en indflydelse på omkostningerne ved batterier og bringe dets anvendelse på elektriske køretøjer i fare.

Genbrug af metal

I 2009 meddelte den japanske gruppe Nippon Mining & Metals , at den med hjælp fra METI og efter en opfordring til projekter fra sidstnævnte skulle igangsætte i 2011 en industriel enhed til genbrug af katoderne til lithium-ion-batterier, for at genvinde kobolt , nikkel , lithium og mangan .

Forskning

I Tyskland er den 5. maj 2009, det tekniske universitet i Freiberg har lanceret et “  Lithium-Initiative Freiberg  ”, der samler fem universiteter og industrielle partnere i et kompetencecenter vedrørende sikrere og mere effektive lithium-ion-batterier til bilindustrien. En del af projektet ligger foran branchen for at forbedre betingelser for lithiumekstraktion i samarbejde med University of Potosí (tæt på Salar de Uyuni ), især for at forbedre teknikkerne til solfordampning og selektiv krystallisation af saltene. Samtidig vil eksperimenterne udføres på de Erzgebirge ( Erzgebirge ) af Sachsen , hvor lithium er også til stede i koncentrationer, der skulle gøre det lettere dets ekstraktion.

Med hensyn til forbrændingsulykker af lithium-elektriske akkumulatorbatterier har observationer af gammastråler i tordenvejr gjort det muligt at sammenligne med andre situationer med stærke lokale elektriske strømme, herunder mikroskopiske brud på elektroder i batterierne. Dette har endnu ikke en operativ applikation.

Brandfare

På grund af risikoen for eksplosion og forbrænding af denne type akkumulator er de underlagt begrænsninger inden for lufttransport og særlige forholdsregler i kabinen med tryk .

I bilulykker kan det tage lang tid at slukke for lithiumbatteri. I 2021 tog en Tesla-brand 32 tusind US gallon vand og fire timer at slukke.

Noter og referencer

Bemærkninger

1. Med en sats på $ 1,41 for € 1 .
2. I tilfælde af batteriet fra firmaet Batscap .

Referencer

1. Panasonic - Li-Ion-teknologi [PDF] , Panasonic.
2. [PDF] Panasonic NCR18650A 3.1Ah , fra panasonic.com
3. https://data.bloomberglp.com/bnef/sites/14/2017/07/BNEF-Lithium-ion-battery-costs-and-market.pdf
4. Jean-Baptiste Waldner , Nano-computing og intelligente omgivelser: opfinde computeren af XXI th  århundrede , London, Hermes Science,2007, 302  s. ( ISBN  2-7462-1516-0 ) , s.  190.
5. https://www.nirgal.net/rover_2003.html
6. CNRS , et nyt fluorsulfat til lithium-ion-batteri , [1] , 18. december 2009
7. "  Solar Impulse flight by flight  " , på Europa 1 ,26. maj 2010(adgang til 24. august 2018 )
8. (in) "Primært lithium fortsætter med at udvikle sig" på batteridigest.com
9. "Lithium-Air batteri: en ny levetid for elbilen" , på cartech.fr, 22. december 2009.
10. (in) "BMW Group og Toyota Motor Corporation uddyber samarbejde ved underskrivelse af bindende aftaler" (pressemeddelelse), BMW, 29. januar 2013.
11. (i) "BMW Group og TMC Uddybe Samarbejde med Signing bindende aftaler" (pressemeddelelse), Toyota, 1 st september 2014.
12. "  Why Valence  " , på valence.com (adgang til 9. september 2012 ) .
13. (in) Genudviklet batterimateriale kan føre til hurtig genopladning af mange enheder , Massachusetts Institute of Technology .
14. (da-US) “  Power the EV Revolution - Battery Packs Now at $ 156 / kWh, 13% Lower Than 2018, Finds BNEF  ” , på CleanTechnica ,4. december 2019(adgang til 3. januar 2020 )
15. (in) "  Nanophosphat High Power Lithium Ion Cell ANR26650M1-B  " , ark [PDF] på A123 Systems  (in) ,2012(adgang 29. januar 2020 )
16. "  Sociale virkninger af håndværksmæssig koboltminedrift i Katanga, Den Demokratiske Republik Congo  " ,november 2011, s.  27-55
17. Lithiummetalpolymerbatteri - Teknologien på batscap.com-siden
18. Lithiummetalpolymerbatteri - Specifikationer på batscap.com
19. LMP Bolloré-batterier ikke så økologiske? , på webstedet automobile-electrique-populaire.fr, konsulteret den 10. december 2013
20. "  Lithium-metal-polymer-batterier  " (adgang til 24. juli 2015 ) .
21. BE Japon nummer 514 (18/09/2009) - Den franske ambassade i Japan / ADIT.
22. (de) “Freiberg startet Lithium-Initiative” (pressemeddelelse), Technische Universität Bergakademie Freiberg , 5. maj 2009
23. (in) A. Widom , Y. Srivastava , J. Swain og Georges de Montmollin , "  Reaktionsprodukter fra elektrodefraktur og Coulomb-eksplosion i batterier  " , Engineering Fracture Mechanics , vol.  184,15. oktober 2017, s.  88–100 ( ISSN  0013-7944 , DOI  10.1016 / j.engfracmech.2017.08.030 , læst online , adgang 21. juli 2019 ).
24. "  Air France og KLM: Informations- og bagagebegrænsninger med lithiumbatteri  " [PDF] , på Air France ,7. juli 2019(adgang til 7. juli 2019 ) .
25. Federal Office of Civil Aviation , “  Batterier, bunker og elektroniske enheder  ” , på www.bazl.admin.ch (adgang til 7. juli 2019 ) .
26. (i) "  Batterier Båret af flypassagerer  « [PDF] om Federal Aviation Administration ,7. juli 2019(adgang til 7. juli 2019 ) .
27. https://www.huffpost.com/entry/tesla-elon-musk-autopilot-self-driving-china_n_608377a1e4b02e74d21998b8

Se også

Relaterede artikler

• Lithium-ion batteri
• Lithium-batteri
• Energilagring
• Superkondensator

eksterne links

• (da) Meget komplet engelsk side om batterier
• Li-ion-sider i en fransk portal om batterier