Litium-ion-batterier har en minneeffekt

Spesielt med elbiler kan ufullstendige ladesykluser bli påvirket

Elbil med litiumionbatterier © gemeinfrei
lese høyt

De er i den bærbare datamaskinen, mobiltelefonen og mange andre elektroniske enheter: litium-ion-batterier forut for det gode omdømmet at de ikke har noen minneeffekt: selv om de ofte bare er ufullstendig utladet og kontinuerlig lades, bør ytelsen deres være fortsatt høy. Nå viser det seg imidlertid at det i en type litium-ion-batteri som er utbredt, spesielt i elbiler, fortsatt er en minneeffekt, som et internasjonalt forskerteam melder i tidsskriftet Nature Materials.

Mange av våre daglige apparater som henter energien fra et batteri ser ut til å ha et slags minne - til skade for oss: for eksempel å lade den batteridrevne høvelen eller den elektriske tannbørsten gjentatte ganger før batteriet tappes ut kan føre til at brukeren blir mer forsiktig hevn. Batteriet ser ut til å huske at det alltid er hentet fra bare en del av lagringskapasiteten og til slutt ikke lenger leverer sitt fulle potensial. Eksperter snakker da om en "minneeffekt", som kommer av at arbeidsspenningen til batteriet gjennom de ufullstendige ladnings- / utladningssyklusene avtar over tid. Selv om batteriet fremdeles har lading, er spenningen det forsyner til slutt for lav til å drive den aktuelle enheten.

{} 1l

Hukommelseseffekten har lenge vært kjent for nikkel-kadmium- og nikkel-metallhydridbatterier. Imidlertid hadde eksistensen av en slik effekt tidligere blitt utelukket i litium-ion-batterier, som med suksess hadde blitt markedsført siden begynnelsen av 1990-tallet: "Vi er ikke klar over en studie der det ville vært søkt om en bevisst minneeffekt på litium-ion-batterier. Så langt er det ganske enkelt antatt at ingen slik effekt oppstår, "forklarer medforfatter Petr Novák fra Paul Scherrer Institute PSI. Feil, som det nye verket nå viser. Forskerne ved PSI og deres kolleger ved Toyota Research Laboratory i Japan har nå oppdaget minneeffekten på et av de mest brukte materialene for den positive elektroden til litium-ion-batterier: litiumjernfosfat (LiFePO4).

Strandet foran den potensielle barrieren

Årsaken til minneeffekten finner forskerne på hvordan lading og utlading av batteriene på mikroskopisk nivå foregår. Elektrodematerialet - i dette tilfellet litiumjernfosfat (LiFePO4) - består av mange partikler av mikronstørrelse, som etter hverandre avgir litiumioner under lading. I tur og orden består utslippet i gjenakkumulering av litiumatomer i elektrodepartiklene, slik at jernfosfat blir litiumjernfosfat igjen. Disse endringene i litiuminnholdet påvirker det kjemiske potensialet og dermed den elektriske spenningen til batteriet. Lasting og lossing er imidlertid ikke lineære prosesser. Hvis partiklene når en kritisk verdi av litiumpartiet, skjer en brå overgang: de frigjør de gjenværende litiumionene veldig raskt, uten noen endring i det kjemiske potensialet. utstilling

Hvis batteriet ikke er fulladet, gjenstår imidlertid litiumrike partikler, som ikke har gjort det over barrieren. Deres kjemiske potensiale avtar deretter ytterligere. I den neste ladeprosessen føres den første gruppen (litiumpartikler) først over barrieren, mens den andre gruppen (litiumrik) henger etter. Dette er nøyaktig hva som forårsaker overspenningskarakteristikken for minneeffekten. Det tilsvarer det ekstra arbeidet som må gjøres for å transportere partiklene over den potensielle barrieren som gjensto etter en ufullstendig ladning.

Elbiler rammet spesielt

Denne minneeffekten av litium-ion-batterier er spesielt merkbar innen elektromobilitet. Spesielt i hybridbiler, der mange sykluser med delvis lading / utladning foregår under normal drift, kan denne effekten oppstå i fremtiden. I disse kjøretøyene lades batteriet ved hver bremsing av motoren som dreies til generatoren. Den er vanligvis bare delvis losset, for eksempel for å støtte forbrenningsmotoren i akselerasjonsfaser. De mange påfølgende syklusene med ufullstendig lading og utladning kan resultere i akkumulering av de enkelte små hukommelseseffektene, som det nye arbeidet viser. Hvis batteriets ladetilstand beregnes ut fra spenningens gjeldende verdi, kan dette vises feil. Resultatet: vi blir liggende, selv om vi visstnok fortsatt har nok strøm.

Å vente hjelper

Men det er også gode nyheter: Forskerne fant ut at en tilstrekkelig lang ventetid kan utløse minneeffekten. Men dette skjer bare under visse forhold. Så minnevirkningen forsvant, hvis man ventet lenge nok etter en syklus bestående av delvis ladning og påfølgende fullstendig utladning. På den annen side har hukommelseseffekten holdt seg hvis du bare ventet på ubestemt tid før fullstendig utladning.

Den nylige oppdagelsen av bruken av litium-ion-batterier i kjøretøyer er imidlertid ikke det siste ordet. Det er ganske mulig at effekten vil bli oppdaget og tatt i betraktning i god tid ved smarte justeringer av programvaren i batterihåndteringssystemet, understreker Nov k. Hvis dette lykkes, vil ikke hukommelseseffekten stå i veien for sikker bruk av litium-ion-batterier i elbiler. Nå må ingeniørene finne den riktige måten å takle batteriets originale minne. (Nature Materials, 2013; doi: 10.1038 / NMAT3623)

(Paul Scherrer Institute (PSI), 15.04.2013 - NPO)