Hoe werkt een lithium-ion-accu?

Lithium-ion-accu’s bestaan uit verschillende cellen. Dankzij de manier waarop deze cellen met elkaar zijn verbonden en de materialen waaruit ze bestaan, leveren de accu’s uitstekende prestaties. Zo blijft de capaciteit constant, ook als ze gedurende lange tijd worden gebruikt. U kunt de accu’s altijd tussentijds opladen, zodat u ze makkelijk kunt verwisselen tijdens de werkzaamheden. In dit artikel leest u hoe lithium-ion-accu’s precies werken, hoe ze in elkaar zitten en welke metalen ze bevatten.

Kleine krachtpatser – de bestanddelen van lithium-ion-accu’s

Een li-ion-accu bestaat zoals gezegd uit meerdere cellen. Ieder van deze cellen heeft dezelfde structuur en bevat de volgende componenten:

• Positieve elektrode (kathode): de kathode bestaat uit lithium-metaaloxide, dat variabele hoeveelheden nikkel, mangaan en kobalt kan bevatten. Deze metaaloxiden worden ook overgangsmetalen genoemd.
• Negatieve elektrode (anode): de anode bestaat normaal gesproken uit grafiet.
• Elektrolyt: om de lithium-ionen als ladingsdragers in de cel te laten bewegen, zit er ook watervrij elektrolyt in. Dit bevat zouten als lithium-hexafluorfosfaat, opgelost in een aprotisch oplosmiddel, zoals diethylcarbonaat. In lithium-polymeer-accu’s wordt in plaats daarvan een polymeer van polyvinylideenfluoride gebruikt, al dan niet in combinatie met hexafluorpropeen.
• Separatoren: om kortsluiting te voorkomen, wordt tussen de elektroden een separator van vliesmateriaal of polymeerfolie aangebracht. De separator laat de lithium-ionen door en kan grote hoeveelheden ionen opnemen.

De separator – essentieel voor het veilig functioneren van lithium-ion-accu’s

De separator regelt en zekert de elektrochemische reacties binnenin een lithium-ion-accu. Enerzijds isoleert hij de twee elektroden van elkaar, zodat er geen interne kortsluiting kan ontstaan. Tegelijkertijd zorgt het speciale doorlaatbare ontwerp ervoor dat alleen lithium-ionen kunnen passeren en zo heen en weer kunnen bewegen tussen de negatieve en positieve elektroden. Bovendien zorgt de separator voor gasuitwisseling in de gesloten cellen van de accu.

Voor dit doel wordt de separator gemaakt van microporeuze membranen, die kunnen verschillen naargelang het vermogen en de grootte van de accu. Daarvoor worden ofwel polymeerfolie (zoals in lithium-polymeer-accu’s) of hittebestendige keramische separatoren gebruikt. Door vliesmateriaal te combineren met een keramische coating zijn de separatoren bijzonder soepel en toch bestand tegen temperaturen tot 700° C.

Het batterijmanagementsysteem – de werking van een lithium-ion-accu optimaliseren

In een lithium-ion-accu worden verschillende cellen samengevoegd tot een module. Deze wordt normaal gesproken aangestuurd door een geïntegreerd besturingssysteem, met als belangrijkste elektrische component het batterijmanagementsysteem (BMS). Dit bestaat uit verschillende delen: de one board sense (OBS) en de stack control unit (SCU) bevinden zich op de module; de battery control unit (BCU) combineert alle informatie van de afzonderlijke modules. In zijn geheel fungeert het BMS als interface tussen het toestel en de accu. Het optimaliseert ook de capaciteit, de energie en de prestaties. Dit systeem voorkomt zelfs diepontlading bij langere opslag van de lithium-ion-accu, en verlengt zo de levensduur.

Hoogwaardige metalen: van cruciaal belang

De naam van lithium-ion-accu’s is afgeleid van hun ontwerp, waarbij lithium in geïoniseerde vorm tussen de elektroden heen en weer kan bewegen. Op basis van de materialen die voor de elektroden worden gebruikt, worden deze accu’s in verschillende groepen onderverdeeld. De werking van de lithium-ion-accu is steeds dezelfde, maar de energiedichtheid, celspanning, temperatuurgevoeligheid, capaciteit en toegestane laad- en ontlaadstroom kunnen variëren door het gebruik van verschillende overgangsmetalen. Zo zijn er de volgende soorten te onderscheiden:

• Lithium-polymeer-accu’s: de elektrolyt is een film op polymeerbasis met een gelachtige consistentie. Deze structuur maakt het mogelijk de accu bijzonder klein te produceren (minder dan 0,1 mm dik) en in verschillende uitvoeringen. Met een energiedichtheid tot 225 Wh/kg zijn ze zeer krachtig, maar wel mechanisch, elektrisch en thermisch gevoelig.
• Lithium-kobaltoxide-accu’s: de positieve elektrode bestaat uit lithium-kobaltoxide, de anode is gemaakt van grafiet. Accu’s van dit type zijn gevoelig voor thermal runaway bij overbelasting.
• Lithium-titanaat-accu’s: de negatieve elektroden zijn niet van grafiet, maar van gesinterd lithium-titanaat-spinel. Ze maken het mogelijk om de accu’s bijzonder snel op te laden, en om ze te gebruiken bij lage temperaturen tot -40° Celsius. De positieve elektroden zijn gemaakt van lithium-titaniumoxide.
• Lithium-ijzerfosfaat-accu’s: de cellen hebben elk een kathode van lithium-ijzerfosfaat. De elektrolyt is in vaste vorm in de cellen aanwezig. Deze accu’s hebben een lagere energiedichtheid van maximaal 110 Wh/kg, maar ze zijn niet vatbaar voor thermal runaway als ze beschadigd raken. De spanningscurve van het ontladen laat zien dat er sprake is van een geheugeneffect, maar dat is erg gering in vergelijking nikkel-cadmium-accu’s (NiCd-accu’s).

De grondstoffen die voor de accu’s gebruikt worden, zijn aan de ene kant waardevol, maar aan de andere kant zijn ze schadelijk voor het milieu. Daarom zijn er een aantal zaken waarmee u rekening moet houden bij het recyclen van lithium-ion-accu’s. Alleen dan kunnen de componenten op de juiste manier worden hergebruikt en wordt milieuschade voorkomen. Daarnaast vallen deze accu’s onder de gevaarlijke stoffen. Daarom dient u ook bij het vervoer van lithium-ion-accu’s rekening te houden met meerdere voorschriften.

De werking van lithium-ion-accu’s bij het opladen en ontladen

Lithium-ion-accu’s werken volgens een eenvoudig principe: de elektrische energie wordt via een chemisch proces opgeslagen en bruikbaar gemaakt voor de aandrijving van voertuigen, zoals elektrische stapelaars. De werking van lithium-ion-accu’s berust hoofdzakelijk op de voortdurende beweging van geïoniseerd lithium tussen de elektroden. Het stromen van de lithium-ionen brengt de externe stroom in evenwicht bij het laden en ontladen van de accu’s, zodat de elektroden zelf elektrisch neutraal blijven:

1. Ontladen

Als de accu ontladen wordt – dus als de opgeslagen energie door een aangesloten apparaat gebruikt wordt – zenden de lithium-atomen elk een elektron uit aan de negatieve elektrode. Dit elektron wordt via het externe circuit naar de positieve elektrode teruggevoerd. In dezelfde stap beweegt eenzelfde aantal lithium-ionen zich van de negatieve elektrode door de elektrolyt en de separator naar de positieve elektrode. De elektronen worden aan de positieve elektrode opgepikt door sterk geïoniseerde overgangsmetaalionen. Deze kunnen verschillend zijn, afhankelijk van het type. In tegenstelling tot lithium-ionen bewegen deze zich niet.

2. Opladen

Bij het opladen van de accucellen bewegen de niet-geïoniseerde lithium-atomen zich van de positieve elektrode door de separator terug naar de negatieve elektrode. Hier worden ze tussen de grafietmoleculen opgeslagen. Dit proces, dat ook intercalatie wordt genoemd, wordt op gang gebracht door de accu met constante stroom op te laden, totdat de nominale stroom bereikt is. Wanneer de beoogde spanning bereikt is, wordt deze gehandhaafd, terwijl de laadstroom afneemt.

Veelgestelde vragen over de werking van lithium-ion-accu’s

Bron afbeelding:
© gettyimages.de – alengo