Litiumakkumulator

Litiumakkumulator
Illustrasjonsbilde av artikkelen Litiumbatteri
Litiumbatteri fra Varta , Museum Autovision , Altlußheim , Tyskland
Kjennetegn
Energi / vekt 100 til 250 (teoretisk)  Wh / kg
Energi / volum 200 til 620  Wh / ℓ
Ladeutladningseffektivitet 90  %
Energi / Offentlig pris 4  Wh / €
Selvutladning 1% til 10% per måned
Livstid 7 år
Antall ladningssykluser 1200 sykluser
Nominell spenning per celle 3,6 eller 3,7  V

En litiumakkumulator er en elektrokjemisk akkumulator hvis reaksjon er basert på litiumelementet .

Ved begynnelsen av XXI th  århundre, har denne type batteri det høyeste spesifikke energi (energi / masse-forhold) og det største energitetthet (forholdet energi / volum).

På grunn av faren for litiumeksplosjon og forbrenning i denne typen akkumulatorer, er de underlagt restriksjoner i transport, spesielt med fly . Litiumbranner tar lang tid å slukke.

Den rover Muligheten bygger inn en akkumulator litium-ion av dens solcellepaneler . Den fungerte i mange år til tross for intens kulde ved -100  ° C på planeten Mars .

Tre typer akkumulatorer

Det er tre hovedtyper av litiumbatterier  :

I motsetning til andre akkumulatorer er ikke litiumionakkumulatorer knyttet til et elektrokjemisk par . Ethvert materiale som er i stand til å ta imot litiumioner i det, kan danne grunnlaget for en litiumionakkumulator . Dette forklarer overflod av eksisterende varianter, i møte med konstansen observert med de andre parene. Det er derfor vanskelig å trekke generelle regler om denne typen akkumulator, siden høyt volum (mobil elektronikk) og høy energi ( automotive , luftfart ,  etc. ) markeder ikke har de samme behovene når det gjelder varighet. Av livet, kostnader eller makt .

Litium-ion-batteri

Litiumionakkumulatoren fungerer på prinsippet om reversibel utveksling av litiumion mellom en positiv elektrode, oftest et litiert overgangsmetalloksyd (koboltdioksid eller mangan) og en negativ grafittelektrode (sfære MCMB). Bruk av en aprot elektrolytt (et LiPF6-salt oppløst i en blanding av karbonat) er obligatorisk for å unngå nedbrytning av de veldig reaktive elektrodene.

Den nominelle spenning for en Li-ion element er 3,6  V og 3,7  V . Energitettheten til litiumionakkumulatorer kan nå et nivå på 200  Wh / kg .

Litiumionpolymer (Li-Po) batteri

Elektrolytten er en gelpolymer. Li-ion-polymerakkumulatoren bruker et driftsprinsipp som ligner Li-ion-akkumulatorer og har lignende egenskaper.

Spenningen til en Li-Po-celle er 3,7  V  ; flere elementer er vanligvis samlet i "pakker":

fordeler

Svakheter

Bruk

Litiumbatterier er strømkilden for de fleste moderne smarttelefoner , nettbrett og bærbare datamaskiner .

Litium-polymer akkumulatorer blir ofte brukt til å leverer energi til skalamodeller (biler, fly, droner,  etc. ), ULMs og paramotors , elektrisk assisterte sykler , motorsykler, scootere, gokart, samt hoved- eller nødmotorisering av båter.

Innen luftfartsområdet bruker visse modeller (for eksempel produktene til selskapene Yuneec (Kina) og Electravia (Frankrike)) siden2007industrielle litiumpolymerbatterier som den viktigste energikilden. Det er også takket være denne teknologien at7. april 2010Den Solar Impulse , en sveitsisk solenergi fly prototype , fullført sin første flytur.

Akkumulator for litium-luft

Den litium-luft-akkumulator bruker litium-oksygen par som gir en meget høy energitetthet (typisk mellom 1,7 og 2,4  kWh / kg i praksis for en teoretisk figur av 5  kWh / kg ). Dette skyldes på den ene siden at en av komponentene (oksygen) forblir tilgjengelig og uuttømmelig uten å bli lagret i akkumulatoren (som i de fleste batterier og luftakkumulatorer), men fremfor alt til den lave atommassen og de høye redokspotensialene til litium og oksygen. Med en spenning på 3,4  V har den imidlertid visse ulemper: korrosjon, behov for filtre (krever veldig ren luft) og lav spesifikk effekt (200  W / kg - 500  W / l ). Disse batteriene er ennå ikke på markedet og vil fortsatt kreve mange års laboratorieforskning.

I Januar 2013, BMW og Toyota jobber sammen for å utvikle neste generasjon litium-luftbatterier, som skal brukes i hybrid- og elbiler .

Litium-jern-fosfat (LFP) akkumulator

Litium jernfosfat (LFP) batteri, også kalt LiFe eller LiFePO4, har en litt lavere spenning (~ 3,3  V ), men er tryggere, mindre giftig og til en lavere pris. Prisen på litiumionceller og batterier kommer faktisk i stor grad fra materialene som brukes ved katoden, som inneholder kobolt eller nikkel, veldig dyre metaller og vanskeliggjør anskaffelsen av dem fra forskjellige leverandører.

I en litiumfosfat , standard LICO x Ni y Al z O 2 katoder er erstattet med litium jernfosfat LiFePO 4 , et materiale som er billig fordi den ikke inneholder sjeldne metaller, og er ikke-toksisk i motsetning til kobolt. I tillegg er denne katoden veldig stabil og frigjør ikke hydrogen som er ansvarlig for eksplosjoner og branner i Li-ion-batterier, noe som gjør det tryggere.

For industriell utvikling i elektriske kjøretøyer (som inneholder rundt 30  kWh akkumulatorer) er det viktig med en prisreduksjon. I 2007 er kostnadene for en LFP-akkumulator over € 1000  / kWh og må senkes under € 500  / kWh for å nå dette markedet. Noen kinesiske produsenter tilbyr15. juni 20113,2 V 16  Ah (eller 51  Wh ) akkumulatorer  for $ 21  , eller € 15  , noe som gir en pris på ca € 300  / kWh . Vær oppmerksom på at denne typen batterier krever bruk av et BMS-sikkerhetssystem (Battery Management System) ; BMS legger til ca 20% til prisen.

Forskning pågår imidlertid fortsatt for å sikre levetiden, bringe kapasiteten til nivået av andre Li-ion-teknikker og på lang sikt forbedre motstanden mot høye temperaturer: det ser ut til at oppløsningen av jern (begunstiget av temperaturen) er negativ påvirker syklabiliteten til denne typen akkumulator.

I mars 2009 utviklet et team fra Massachusetts Institute of Technology en prosess som betydelig øker ladehastigheten til litiumionbatterier, som finnes i de fleste av våre høyteknologiske enheter. Denne oppdagelsen åpner for nye muligheter innen elektriske biler hvis hovedproblem, i tillegg til kostnadene, er batteriets ladetid.

Kjennetegn

Massetettheten er 200  Wh / kg forventet i 2020, og volumtettheten er 400  Wh / L , så det er et kraftig batteri, men tungt for størrelsen sammenlignet med NCM-teknologier ( nikkel - kobolt - mangan ).

Den annonserte batterilevetiden (80% kapasitet) er i størrelsesorden syv år og 3000 sykluser ved + 1 / -1 ° C ved 23  ° C , eller tre år og 1500 sykluser ved +1, 2 / -8 ° C til 23  ° C . Det ser ut til at batteriene tåler høy effekt og høye temperaturer godt, men at dette forringer levetiden.

fordeler

Sammenlignet med andre akkumulatorer:

Ulemper

Litiummetallpolymerbatteri (LMP)

Litiummetallpolymerbatterier (LMP), rettet mot bilmarkedet, utvikles av to selskaper, Batscap (Ergué-Gabéric, Frankrike) og Bathium (tidligere Avestor) (Boucherville, Quebec). Sistnevnte ble kjøpt på6. mars 2007av den franske gruppen Bolloré (95% eier av Batscap) i påvente av at den skal brukes på gruppens elektriske kjøretøy, Bluecar , spesielt brukt i Autolib bildelingsnettverk i Paris.

LMP-akkumulatorer er i form av en tynnfilmsår. Denne filmen, med en tykkelse på rundt hundre mikrometer , består av 5 lag:

  1. Isolasjon  ;
  2. Anode  : litiumstrimmel
  3. Elektrolytt  : sammensatt av polyoksyetylen (POE) og litiumsalter.
  4. Katode  : sammensatt av vanadiumoksid , karbon og polymer.
  5. Strømoppsamler: metallstripe, brukes til å sikre elektrisk tilkobling.

Kjennetegn

fordeler

Ulemper

Litium-titanat-akkumulator

Den litium titanat Akkumulatoren er en videreutvikling av litium akkumulatoren utviklet av Toshiba under betegnelsen Super Charge ione-batteri (SCiB).

Litium tilgjengelighet

I fremtiden frykter noen at billig litium vil gå tom fordi det er veldig rikelig på jorden, men stedene der det er enkelt og billig å hente ut er sjeldne . Mer enn 75% av produksjonen kommer fra salarene i Sør-Amerika, Chile , Argentina og siden 2008 , fra Bolivia . En økning i litiumkostnadene vil ha en innvirkning på kostnadene for batterier og fare for bruk på elektriske kjøretøyer.

Metallgjenvinning

I 2009 kunngjorde den japanske gruppen Nippon Mining & Metals at den, med hjelp fra METI og etter en oppfordring til prosjekter fra sistnevnte, skulle sette i drift en industriell enhet for resirkulering av katodene til litiumionbatterier, for å utvinne kobolt , nikkel , litium og mangan .

Undersøkelser

I Tyskland er den 5. mai 2009, det tekniske universitetet i Freiberg har lansert et “  Lithium-Initiative Freiberg  ” som samler fem universiteter og industrielle partnere i et kompetansesenter om sikrere og mer effektive litiumionbatterier for bilindustrien. En del av prosjektet ligger foran bransjen for å forbedre forholdene til utvinning av litium, i samarbeid med universitetet i Potosí (nær Salar de Uyuni ), spesielt for å forbedre teknikkene for fordampning av solen og selektiv krystallisering av saltene. Samtidig vil eksperimenter bli utført på Malmfjellene ( Erzgebirge ) i Sachsen , hvor litium også er tilstede i konsentrasjoner som skal lette utvinning av det.

Når det gjelder forbrenningsulykker med litium-elektriske akkumulatorbatterier, har observasjoner av gammastråler i tordenvær gjort det mulig å sammenligne med andre situasjoner med sterke lokale elektriske strømmer, inkludert mikroskopiske brudd på elektroder i batteriene. Dette har ennå ikke en operativ applikasjon.

Brannfarlig

På grunn av risikoen for eksplosjon og forbrenning av denne type akkumulator, er de utsatt for restriksjoner i lufttransport og spesielle forholdsregler i den trykksatte kabinen .

I bilulykker kan det ta lang tid å slukke litiumbatteri. I 2021 tok en Tesla-brann 32 000 amerikanske liter vann og fire timer å slukke.

Merknader og referanser

Merknader

  1. Med en hastighet på $ 1,41 for € 1 .
  2. Når det gjelder batteriet til selskapet Batscap .

Referanser

  1. Panasonic - Li-Ion Technology [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 ambient intelligence: oppfinne datamaskinen til XXI th  århundre , London, Hermes Science,2007, 302  s. ( ISBN  2-7462-1516-0 ) , s.  190.
  5. https://www.nirgal.net/rover_2003.html
  6. CNRS , Et nytt fluorsulfat for litiumionbatteri , [1] , 18. desember 2009
  7. "  Solar Impulse flight by flight  " , på Europa 1 ,26. mai 2010(åpnet 24. august 2018 )
  8. (in) "Primær litium fortsetter å utvikle seg" på batterierdigest.com
  9. "Lithium-Air battery: a new lease of life for the electric car" , på cartech.fr, 22. desember 2009.
  10. (in) "BMW Group and Toyota Motor Corporation Depepen Collaboration by Signing Binding Agreement" (pressemelding), BMW, 29. januar 2013.
  11. (i) "BMW Group og TMC utdype samarbeidet ved å inngå forpliktende avtaler" (pressemelding), Toyota, 1 st september 2014.
  12. "  Why Valence  " , på valence.com (åpnet 9. september 2012 ) .
  13. (in) Ombygd batterimateriale kan føre til rask opplading av mange enheter , Massachusetts Institute of Technology .
  14. (no-US) “  Powering the EV Revolution - Battery Packs Now at $ 156 / kWh, 13% Lower Than 2018, Finds BNEF  ” , på CleanTechnica ,4. desember 2019(åpnet 3. januar 2020 )
  15. (in) "  Nanophosphate High Power Lithium Ion Cell ANR26650M1-B  " , ark [PDF] på A123 Systems  (in) ,2012(åpnet 29. januar 2020 )
  16. "  Sosiale virkninger av håndverksmessig koboltdrift i Katanga, Den demokratiske republikken Kongo  " ,november 2011, s.  27-55
  17. Litiummetallpolymerbatteriet - Teknologien på nettstedet batscap.com
  18. Litiummetallpolymerbatteriet - Spesifikasjoner , på batscap.com
  19. LMP Bolloré-batterier ikke så økologiske? , på nettstedet automobile-electrique-populaire.fr, konsultert 10. desember 2013
  20. "  Litium-metall-polymer-batterier  " (åpnet 24. juli 2015 ) .
  21. BE Japon nummer 514 (18/09/2009) - Den franske ambassaden i Japan / ADIT.
  22. (de) “Freiberg startet Lithium-Initiative” (pressemelding), Technische Universität Bergakademie Freiberg , 5. mai 2009
  23. (in) A. Widom , Y. Srivastava , J. Swain og Georges de Montmollin , "  Reaction products from electrode fracture and Coulomb explosion in Batteries  " , Engineering Fracture Mechanics , vol.  184,15. oktober 2017, s.  88–100 ( ISSN  0013-7944 , DOI  10.1016 / j.engfracmech.2017.08.030 , les online , åpnet 21. juli 2019 ).
  24. "  Air France og KLM: Informasjons- og bagasjebegrensninger med litiumbatteri  " [PDF] , på Air France ,7. juli 2019(åpnet 7. juli 2019 ) .
  25. Federal Office of Civil Aviation , “  Batterier, hauger og elektroniske enheter  ” , på www.bazl.admin.ch (åpnet 7. juli 2019 ) .
  26. (i) "  Batterier Båret av flypassasjerer  ' [PDF] på Federal Aviation Administration ,7. juli 2019(åpnet 7. juli 2019 ) .
  27. https://www.huffpost.com/entry/tesla-elon-musk-autopilot-self-driving-china_n_608377a1e4b02e74d21998b8

Se også

Relaterte artikler

Eksterne linker