Bateri ion litium

Bateri ion litium

Bateri Li-ion bagi telefon bimbit Nokia
Tenaga tertentu	100–265 W·h/kg (0.36–0.95 MJ/kg)
Ketumpatan tenaga	250–730 W·h/L (0.90–2.23 MJ/L)
Kuasa tertentu	~250-~340 W/kg
Kecekapan cas/nyahcas	80–90%
Tenaga/harga pengguna	2.5 W·h/AS$
Kadar nyahcas diri	8% pada 21 °C 15% pada 40 °C 31% pada 60 °C (sebulan)
Kelasakan kitaran	400–1200 kitaran
Voltan sel nominal	NMC 3.6 / 3.7 V, LiFePO4 3.2 V

Bateri ion litium (bahasa Inggeris: lithium ion batterycode: en is deprecated , sering disingkatkan kepada Li-ion atau LIB) adalah salah satu jenis bateri cas semula yang menghasilkan kuasanya sendiri hasil janaan pergerakan ion litium dari anod ke katod semasa proses penyahcasan dan kembali ke kedudukan asal semasa dicas. Bateri jenis ini menggunakan sebatian litium yang disisipkan sebagai bahan elektrod, berbanding logam litium yang digunakan dalam bateri litium tidak boleh cas semula.

Bateri ini lazimnya digunakan dalam peralatan elektronik pengguna. Ia merupakan salah satu daripada jenis bateri cas semula paling popular bagi peranti elektronik mudah alih, serta mempunyai ketumpatan tenaga antara yang terbaik, tiada kesan ingatan (walau bagaimanapun, sila ambil perhatian bahawa sesetengah kajian menunjukkan beberapa petanda kesan ingatan pada bateri ion litium), dan hanya menunjukkan kadar kehilangan cas yang perlahan apabila tidak digunakan. Selain peralatan elektronik pengguna, bateri Li-ion juga semakin popular dalam bidang ketenteraan, kenderaan elektrik dan aplikasi aeroangkasa. Misalnya, bateri ion litium mula menjadi bateri pengganti yang lazim bagi bateri asid-plumbum yang digunakan sejak berzaman lagi pada kereta golf dan kenderaan utiliti. Daripada menggunakan plat plumbum yang berat serta elektrolit berasid, trend sekarang ialah menggunakan anod litium/karbon yang ringan dan katod litium besi fosfat. Bateri ion litium boleh menghasilkan voltan yang sama seperti bateri asid-plumbum, maka tiada pengubahsuaian diperlukan bagi sistem pacuan kenderaan.

Perwatakan kimia, prestasi, kos dan keselamatan adalah berbeza mengikut jenis bateri Li-ion. Peralatan elektronik tangan kebanyakannya menggunakan bateri Li-ion berasaskan litium kobalt oksida (LiCoO₂), yang menawarkan ketumpatan tenaga yang tinggi, tetapi mendatangkan risiko keselamatan, terutamanya apabila rosak. Litium besi fosfat (LFP), litium mangan oksida (LMO) dan litium nikel mangan kobalt oksida (NMC) menawarkan ketumpatan tenaga lebih rendah, tetapi mempunyai jangka hayat lebih panjang serta lebih selamat. Bateri sebegitu digunakan secara meluas dalam peralatan elektrik, peralatan perubatan serta peranan-peranan lain. NMC terutamanya merupakan petanding yang mendahului dalam aplikasi automotif. Litium nikel kobalt aluminium oksida (NCA) dan litium titanat (LTO) merupakan rekaan khusus yang disasarkan pada peranan niche khas.

Bateri ion litium boleh jadi berbahaya dalam keadaan tertentu dan boleh membawa bahaya keselamatan, memandangkan ia mengandungi elektrolit mudah terbakar serta disimpan dalam tekanan, tidak seperti bateri cas semula yang lain. Ia menjadikan standard bagi bateri tersebut sangat tinggi, serta ia mempunyai banyak ciri keselamatan. Terdapat banyak kes kemalangan yang dilaporkan di samping panggilan semula oleh beberapa syarikat.

Binaan

Sel litium besi fosfat 18650 berbentuk silinder sebelum ditutup.

Tiga komponen berfungsi utama bagi bateri ion litium ialah:

• Anod - secara amnya, anod bagi sel ion litium konvensional diperbuat daripada karbon, grafit merupakan bahan paling lazim dalam pembuatan industri
• Katodnya - logam oksida, secara amnya adalah salah satu daripada tiga bahan tersebut: oksida berlapis (seperti litium kobalt oksida), polianion (seperti litium besi fosfat) atau spinel (seperti litium mangan oksida).
• Elektrolit - sebatian cecair bukan akueus ini ialah garam litium bukan koordinat (seperti litium heksafluorofosfat (LiPF₆), litium heksafluoroarsenat monohidrat (LiAsF₆), litium perklorat (LiClO₄), litium tetrafluoroborat (LiBF₄) dan litium triflat (LiCF₃SO₃)) dalam pelarut organik seperti etilena karbonat atau dietil karbonat yang mengandung i kompleks bagi ion litium.

Peranan elektrokimia bagi setiap elektrod saling bertukar antara anod dan katod, bergantung kepada arah aliran arus melalui sel.

Jangka hayat dan tahap keselamatan bateri ion litium teknologi nano mula diterapkan bagi menambah baik prestasinya bergantung kepada pemilihan bahan, voltan dan ketumpatan tenaga.

Elektrolit bukan akueus lazimnya digunakan kerana sifat litium tulen sebagai bahan mentah sangat reaktif sehingga bertindak balas secara cergas dengan air bagi membentuk litium hidroksida dan gas hidrogen. Bekas bertutup mengasingkan sebarang kelembapan daripada pek bateri untuk mengelakkan kemalangan sedemikian.

Bateri ion litium lebih mahal daripada bateri NiCd tetapi mampu beroperasi pada lingkungan suhu yang lebih meluas dengan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Ia memerlukan satu litar perlindungan bagi mengehadkan voltan puncak.

Bagi komputer riba, sel-sel ion litium dibekalkan sebagai sebahagian daripada pek bateri dengan pengesan suhu, litar penukar/pengawal voltan, pili voltan, pemantau keadaan cas bateri dan penyambung utama. Kesemua komponen tersebut memantau keadaan cas serta keluar masuk arus bagi setiap sel, kapasiti bagi setiap sel individu (perubahan drastik boleh membawa kepada kekutuban terbalik yang membahayakan), suhu bagi setiap sel dan meminimakan risiko litar pintas.

Format

Pek bateri ion litium Nissan Leaf.

Sel-sel Li-ion boleh didapati dalam pelbagai faktor bentuk , yang secara amnya terbahagi kepada empat kumpulan:

• Silinder kecil (badan pejal tanpa terminal, seperti bateri komputer riba)
• Silinder besar (badan pejal dengan terminal berbenang)
• Kantung (badan lembut dan leper, seperti bateri telefon bimbit)
• Prismatik (bekas plastik separa keras dengan terminal berbenang besar, seperti pek pacuan kenderaan)

Ketiadaan bekas menjadikan sel kantung mempunyai ketumpatan tenaga tertinggi; walau bagaimanapun, sel kantung (dan sel prismatik) memerluakan bekas luaran bagi mencegah pengembangan bateri apabila keadaan casnya tinggi.

Elektrokimia

Tindak balas elektrokimia dalam bateri ion litium melibatkan tiga komponen utamanya iaitu elektrod anod dan katod serta elektrolit sebagai bahan perantara. Kedua-dua elektrod membenarkan ion litium berpindah antara satu sama lain. Semasa masukan (atau interkalasi) ion-ion bergerak ke dalam elektrod. Semasa proses lawannya, pengekstrakan (atau nyahinterkalasi), ion-ion bergerak keluar. Semasa sel berasaskan litium sedang nyahcas, ion positif diekstrak dari elektrod negatif (biasanya grafit) dan dimasukkan ke dalam elektrod positif (sebatian mengandungi litium). Semasa bateri mengecas, keadaan yang sebaliknya berlaku.

Kerja berguna terjana apabila elektron mengalir melalui litar luaran tertutup. Persamaan berikut menunjukkan satu contoh tindak balas kimia, dalam unit mol, membolehkan pemalar $n$ digunakan.

Tindak balas separa bagi elektrod positif ialah:

$\mathrm {LiCoO_{2}} \leftrightarrows \mathrm {Li} _{1-n}\mathrm {CoO_{2}} +n\mathrm {Li^{+}} +n\mathrm {e^{-}}$

Tindak balas separa bagi elektrod negatif ialah:

$n\mathrm {Li^{+}} +n\mathrm {e^{-}} +\mathrm {C} \leftrightarrows \mathrm {Li_{n}C}$

Tindak balas keseluruhan mempunyai hadnya yang tersendiri. Mengecas bateri secara berlebihan melampautepukan litium kobalt oksida, membawa kepada penghasilan litium oksida, melalui tidak balas tidak berbalik berikut:

$\mathrm {Li^{+}} +\mathrm {e^{-}} +\mathrm {LiCoO_{2}} \rightarrow \mathrm {Li_{2}O} +\mathrm {CoO}$

Mengecas lampau sehingga 5.2 volt membawa kepada sintesis kobalt (IV) oksida, seperti yang dibuktikan oleh pembelauan sinar-x:

$\mathrm {LiCoO_{2}} \rightarrow \mathrm {Li^{+}} +\mathrm {CoO_{2}} +\mathrm {e^{-}}$

Di dalam bateri ion litium, ion-ion litium diangkut kepada dan daripada katod atau anod dengan mengoksidakan logam peralihan, kobalt (Co), dalam Li_xCoO₂ daripada Co³⁺ kepada Co⁴⁺ semasa mengecas, dan diturunkan daripada Co⁴⁺ kepada Co³⁺ semasa mengecas.

Tenaga sel bersamaan dengan hasil darab voltan dengan cas. Setiap gram litium mewakili pemalar Faraday/6.941 atau 13,901 coulomb. Pada 3 V, ia memberikan 41.7 kJ setiap gram litium, atau 11.6 kWj setiap kg. Ia lebih sedikit daripada haba pembakaran petrol, tetapi tidak mengambil kira bahan-bahan lain yang termasuk di dalam bateri litium dan ia menjadikan bateri litium beberapa kali ganda lebih berat berbanding unit tenaga.

Elektrolit

Voltan sel yand diberi dalam bahagian Elektrokimia adalah lebih besar daripada keupayaan yang mana larutan akueus akan terelektrolisis. Memandangkan sifat logam litium yang sangat reaktif terhadap air, larutan bukan akueus atau aprotik digunakan.

Elektrolit cecair dalam bateri ion litium terdiri daripada garam litium, seperti LiPF₆, LiBF₄ atau LiClO₄ di dalam pelarut organik, seperti ethilena karbonat, dimetil karbonat, dan dietil karbonat. Elektrolit cecair bertindak sebagai pembawa antara katod dan anod semasa arus mengalir melalui litar luaran. Kadar kekonduktivitian lazim bagi elektrolit cecair pada suhu bilik (20 °C (68 °F)) adalah dalam lingkungan 10 mS/cm (1 S/m), meningkat pada kadar lebih kurang 30–40% pada 40 °C (104 °F) dan menurun sedikit pada 0 °C (32 °F)

Pelarut organik mudah terurai pada anod semasa dicas. Walau bagaimanapun, apabila pelarut organik yang bersesuaian digunakan sebagai elektrolit, pelarut tersebut terurai semasa pengecasan awal dan membentuk satu lapisan pepejal dipanggil interfasa elektrolit pepejal (SEI), yang menebat secara elektrikal tetapi masih menyediakan kekonduktivitian ionik. Interfasa tersebut menghalang penguraian elektrolit selepas pengecasan kedua. Misalnya, etilena karbonat terurai pada voltan yang secara relatifnya tinggi, 0.7 V berbanding litium, dan membentuk antara muka yang tumpat dan stabil.

Elektrolit komposit berasaskan POE (poli(oksietilena)) yang dibangunkan oleh Syzdek et al., menyediakan antara muka yang secara relatifnya stabil. Ia boleh jadi sama ada pepejal (berat molekul tinggi) dan digunakan pada sel Li-polimer kering, atau cecair (berat molekul rendah) dan digunakan pada sel Li-ion biasa.

Cecair ionik suhu bilik (RTIL) adalah satu lagi pendekatan bagi mengehadkan kebolehbakaran dan kemeruapan elektrolit organik.

Cas dan nyahcas

Semasa mengecas, ion-ion litium Li⁺ membawa arus dari elektrod negatif ke positif, melalui elektrolit bukan akueus dan diafragma pemisah.

Semasa mengecas, punca kuasa elektrik luaran (litar pengecas) mengenakan voltan berlebihan (voltan lebih tinggi tetapi sama kekutuban) daripada yang dihasilkan oleh bateri, memaksa arus untuk melalui arah bertentangan. Ion-ion litium kemudiannya berpindah dari elektrol positif ke negatif, di mana ion-ion tersebut terbenam di dalam bahan elektrod poros dalam proses yang dikenali sebagai interkalasi.

Prosedur mengecas

Prosedur mengecas bagi sel Li-ion tunggal, dan bateri Li-ion berbilang sel, adalah berbeza sedikit.

• Sel tunggal Li-ion dicas dalam dua peringkat:

1. CC
2. CV

• Bateri Li-ion berbilang sel pula dicas dalam tiga peringkat:

1. CC
2. Penyeimbangan (tidak diperlukan sebaik bateri sudah seimbang)
3. CV

CC: Mengenakan arus pengecasan terhadap bateri, sehinggalah had voltan bagi setiap sel dicapai.

Penyeimbangan: Mengurangkan arus pengecasan (atau mengitar pengecasan hidup dan padam bagi mengurangkan arus purata) sementara keadaan cas bagi sel-sel individu dibawa ke satu tahap yang sama oleh litar penyeimbang, sehinggalah nbateri sudah seimbang. Sesetengah pengecas pantas melangkau peringkat ini. Sesetengah pengecas memperoleh penyeimbangan dengan mengecas setiap sel secara berasingan.

CV: Mengenakan voltan bersamaan dengan voltan sel maksimum didarab dengan bilangan sel sesiri kepada bateri, memandangkan arus semakin merosot secara beransur-ansur menghampiri 0, sehingga arus lebih rendah daripada ambang yang ditetapkan iaitu lebih kurang 3% daripada arus cas malar.

Pengecasan tambahan berkala dilakukan setiap 500 jam. Pengecasan puncak disyorkan untuk dilakukan apabila voltan berada di bawah 4.05 V/cell.

Bateri ion litium dicas pada voltan lebih kurang 4.2 ± 0.05 V/sel kecuali bateri "tentera jangka hayat panjang" yang menggunakan 3.92 V bagi melanjutkan usia bateri. Kebanyakan litar perlindungan memotong bekalan apabila voltan melebihi 4.3 V atau suhu melebihi 90 °C dicapai. Voltan bawah 2.50 V/sel menyebabkan litar perlindungan bateri menganggap bateri tersebut tidak boleh dicas semula menggunakan peralatan mengecas biasa. Kebanyakan litar bateri berhenti berfungsi pada 2.7–3.0 V/sel.

Kegagalan mematuhi limitasi arus dan voltan boleh menyebabkan letupan.

Lihat juga

• Bateri litium-polimer (Li-Po)
• Bateri nikel-logam hidrida (Ni-MH)
• Bateri nikel-kadmium (Ni-Cd)

Pautan luar

• Lithium batteries di Curlie
• Addressing the Impact of Temperature Extremes on Large Format Li-ion Batteries for Vehicle Applications, National Renewable Energy Laboratory, March 2013.
• Application of Life-Cycle Assessment to Nanoscale Technology: Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles, U.S. Environmental Protection Agency, April 2013.
• custom lithium-ion battery pack,Hoppt Battery