Batteriteknologi

Rapporten SPM-193 fra 2002- og en opdatering..

Basis opbygning af elektrokemisk celle

Fælles for alle – reaktionen sker når batteriet forbindesPrimærbatterier – energien er lagret én gang for alleSekundærbatterier – energi kan bruges og tilføres

cellereaktion i begge retninger

Primær batterier

Leclanché batteriet –brunstens batteri

Anode (-) zinkbæger

Katode (+) kulstang omgivet af mangandioxid

Elektrolyt overvejende en vandig opløsning af ammoniumkloridog oftest zinkklorid

Det hele er indkapslet i stål

Denne kan også laves i fladceller m carbon film – som f.eks. i 9V batteri

Fordele gode lagrings egenskaber v lav temperaturmiljøvenliglav pris

Ulemper forholdsvis dårlige belastningsegenskaberdårlige lagringsegenskaber v normal temprisiko for lækage v afladede batterierstort set ude af det vestlige marked

Med samme opbygning har vi Zinkklorid celler, her forbruges vand ifb. med cellereaktion. De er dyrere men med bedre egenskaber generelt

Primær batterierAlkali-mangan batterier

Bygget omvendt i forhold til Leclanché cellen

Anode (-) zinkpulver og kontaktstift af zink

Katode (+) rør af sammenpresset mangandioxid

Elektrolyt en vandig opløsning af kaliumhydroxyd

Stor overflade på zinken og elektrolyttens gode lede evneForbruger vand i cellereaktionen.

Fordele Meget større energitæthed, belastningsevne,lavtemperaturegenskaber og lagringsegenskaberMiljøvenlig og mindre risiko for lækage

Ulemper En del dyrere

Denne kan også laves i fladceller udviklet af Hellesens (Alkaline Batteries i Thisted)Varta laver 9V med rundceller inden i (mindre kapasitet)Toshiba laver alkali-mangan som knapceller

Har været produceret med kviksølv for at undgå korrosion af zinkpulveret -> brintudvikling

Primær batterierKnapcelle batterierAnode (-) sintret zinkpulverKatode (+) kviksølvoxid / sølvoxidElektrolyt kaliumhydroxydSpænding under afladning er meget konstant 1,35V Sølvoxid 1,8V og 1,5V

Fordele Meget større energitæthed ifht volumen, høj effekttæthed/belastbarhednormal anv. Temp 70C – 100 kortvarigtMeget holdbar overfor klimatiske og mekaniske påvirkninger

Ulemper høj pris

ZINK-LUFT BATTERIERKatoden er spændende – den udgøres af aktivt kul, der optager ilt fra luften, den er meget lidt pladskrævende og derfor er der mere plads til anoden og man får en meget høj energitæthed i forhold til volumen.

Zink-luft kan også være en brændselscelle…

Ulempe når forseglingen er brudt bruges den kontinuerligtKræver 1l luft pr AhStørre mulighed for lækage

LITHIUM AA/AAA 1,5V og knapceller ca 3V bruges i apparater med højt forbrug over lang tidure, digitalkameraer, lommeregnere osv.

20020

Primær batterier

Sekundær batterierGel og AGM

Gel – det første lukkede batteri på markedet. Rekombinationsevnen er ikke så stor-> mere følsomme for overladning end AGM

AGM – stort set samme opbygning men elektrolytten (syren) er umættet og fastholdes på pladerne af glasmåtterne. Fordi elektrolytten er umættet er den ikke så følsom for over overladning/afladning

Sekundær batterierNiCd og NiMh

Begge typer er viklede, dvs nikkel eller forniklede stålbånd m fastbrændt (sintret) nikkelstøv er viklet sammen med nylon eller et skum materialeNiCd +/- er ensNiMh - er en metalhybrid

NiMh i forhold til NiCdFordele større energitæthed ved

moderate strømmeMiljøvenligt

Ulemper Begrænset temperaturområde Større selvafladning

Sekundær batterierLithium batterier

Lithium adskiller sig fra andre battericeller Anode og katode materialerne indgår IKKE i den elektrokemiske proces – de er lagre for li-ioner på skift

Anoden - Kulstof / grafitKatode + transition metaloxyder f.eks.

LiCoO2, LiNiO2, LiMnO4 (spinel)Elektrolyt flydende polymer el plast

f.eks. Ethylenkarbonat (EC)fast polymer

Fordele/ulemper ved de forskellige katoder:LiCoO2 let at fremstille, gode elektrokemiske egenskaber, relativ

sikker. Kapacitet relativ lav og prisen er høj.LiNiO2 Billigere – forsøgt brugt for at reducere omkostninger LiMnO4 Billig og sikker. Har en lidt mindre energitæthed. Ikke så

følsom for overladning, da strukturen er solid og den kan tømmes helt for Li-ioner. De andre kan kollapse fordi de er lagdelte og kun en to dimensionel struktur

LiFePO4 Høj energitæthed, ikke følsom for overladning, hurtig opladning, længere levetid, lettere. Bruges i bilindustrien

Sekundær batterierLithium batterier – polymer faststof

Batteriet har faststof positiv og negativ elektrodeElektrolytten er polymer, den har ikke så stor ledningsevne som flydende elektrolytter.

Polymeren laves som tynde folier for at lave over-fladen stor (0,2mm)

Bruges hvor der er brug for en fleksibel udformning, tynde batterier.

Alternativt bruges et plast materiale og elektroderne varmt lamineres på kollertorerne og plastik elektrolytten og til sidst varmes det hele sammen. Celle tykkelse 0,5 mm kan formes /klippes efterbehov. Aktiverings processen er patenteret

Sekundære lithiumbatterier, knapceller findes i rigtigt mange udgaver med forskellige elektrodepar, de bruges ofte til memory back-up.

Samsungog batteri problemerne

Problem stilling i mobiltelefoner• Forbrugerne vil gerne have mere kapacitet• Telefonerne bliver tyndere• Batterierne er stakkede og komponenterne presses tættere

på hinanden• Varmen der opstår ved opladning – skal ledes hurtigt væk

Fejl i batterietPresset for meget de stakkede lag +/- kom i kontakt, kan føre til at temperaturen løber løbskNår batteriet når 100C begynder materialet at nedbryde -> en kemisk reeaktion der udløser egen energi -> varmen accelererer…Temperaturen kan stige til batteriet bryder i brand

Fejl i telefonenTelefonens batteri styre system - Samsung startede med at nedsætte opladning til max 60%

UdefraBatteriet kan skades hvis telefonen tabes - barrieren brydesOverophedning – Li pladerne kan kollapse omkr. anoden og danne en kortslutning

Dyr fejl at presse teknikkerne til at levere for at slå Apples iPhone 7

Brændselsceller

elektrisk batteri, som kan omsætte brint og luftens ilt til elektricitet, varme og vand. Brændselsceller anvendes bl.a. inden for rumfart og produktion af kraftvarme. Der findes mange typer af brændselsceller, hvoraf nogle kan omsætte naturgas og methanol udover brint.

Hovedforskellen mellem brændselsceller og andre batteriers celler er, at man • kontinuert leder luft (ilt) til den positive elektrode • brint til den negative elektrode, • skal ikke oplades, men kan køre uafbrudt • Der er to forskellige katalysator materialer , begge er

dog baseret på platin og der forskes i at mindske mængden

Ideen med at erstatte batteriet i høreapparater er ud-viklet på Teknologisk Institut sammen med dele af den danske høreapparat industri (DK har 50% af verdens-markedet)

Brændselsceller - droner

Valg af batteri

Valget primært vs sekundært

Primære batterier• bruges hvor der ikke er mulighed for at lade et sekundært batteri• Hvor udstyrets drift profil gør at det ikke er muligt/hensigtsmæssigt at skifte

batteriet (år i mellem)

Sekundære batterier• Bruges hvis opladning er muligt• Udstyret stiller krav til relativ høj strøm og derfor hyppig batteriudskiftning -

telefoner, værktøj, bærbare osv.

Væstenlige parametre i valgetDriftspændingsområdet batterier afgiver energi i et større el mindre spændingsområde, udstyrets kredsløb

skal kunne fungere over dette område. Kredsløbet skal kunne holde til batteriets ”tomgangsspænding”

Driftstemperaturen Belastningsevnen er afhængig af temperatur, driftsprofil, lagring osv.Datablade kan give en indikation, alternativ testes (SKOV)

Holbarhed Batterier bør behandles som let fordærvelige varer..Høj temperatur øges selvafladningen for primærbatterierfor sekundær slides de hurtigere end normalt

Ladekredsløb Sekundær batterier slides mere ved brug af forkert ladekredsløb end ved afladning

Stationær/cyklisk drift i hvilken sammenhæng skal batteriet fungere. F.eks. AGM, AGM DeepCycle, AGM LL

Lithium batterier Li-ion batterier må ikke overskride fabrikantens spændingsgrænserOver aflades kan anodens kobber kan opløses og lægge sig på katoden og cellen kan kortslutte, grænsen er temperatur afhængig men typisk 2,8V-2,5VOver ladning kan give metalrester på anoden, og det kan kortslutte. Nogle typer kan kollapse hvis de tømmes for lithium og kan ikke optage Li-ioner igen under afladning

Væstenlige parametre i valget

Smart Battery System Specifications

For at sikre brugeren har batterifabrikanterne og software huse udarbejdet en standard for kommunikation batteri og apparat imellem og der er udviklet kredsløb til formålet .

Teknikken er indbygget i batteripakker så den selv fortæller apparatet hvad den skal lades med og hvad der kan trækkes. Dvs der kan skiftes imellem systemerne.

UCI chemists create battery technology with off-the-charts charging capacity

Forskere har længe prøvet at udvikle nanorør/tråde til batterier

De er 1000 gange tyndere end et menneskehårproblemet var at de ikke var slidstærke nok.

Mya Le Thai har fundet en løsning ved et tilfælde hun dækkede en guld nanotråd med en skal af MgO2 og forseglede det i en elektrolyte af en plexiglas lignende gel.

De har testet elektroden op til 200.000 gang over en perode på 3 mdr. og der er ikke mistet noget kapacitet eller brud på nanotråden.

Gelen gør metaloxiden fleksibel og forhindrer brud på https://youtu.be/lzFzBpwl8aU

Henrik Fisker GACELL A/S – Sletten 17 – 7500 Holstebro – Tel. 961 02 961