Elsystem, del 3 – Fakta litiumjon-batterier

Den här typen av laddningsbara batterier har funnits sen slutet av 70-talet och baseras på litium-joner som lagras i molekylskikt i plus- respektive minus-polen. Därav namnet litiumjon-batterier. Jämfört med bly-batterier är de lättare, laddas fortare och har fler laddningscykler.


Lititum är skadligt för människor och djur, så därför är det viktigt att lämna in utslitna batterier för återvinning.


Det finns flera olika sorters litiumjon-batterier och de namnges efter vilka material som ingår i batteriets pluspol.

  • Minuspolen består oftast av en grafitmix med lite kisel.
  • Pluspolen består av en skiktad metalloxid som kan lagra litiumjoner, ex.vis järnfosfat som i LiFePO4 batterier.
  • Elektrolyten är flytande och innehåller litiumsalt löst i en organisk vätska och är bundet i papper. En organisk vätska kan ju börja brinna om temperaturen blir tillräckligt hög. Därför pågår det forskning att ta fram en fast elektrolyt utan brandfarliga ämnen. Ett sånt batteri kallas för ”solid-state” batteri.
Chemical processes in a lithium-ion battery

Vill du ha ännu mer fakta om litiumjon-batterier? Då kan du börja i Wikipedia.

Uppladdning av litiumjon

När batteriet laddas upp, flyttas litiumjoner från pluspolen till elektrolyten och vidare till minuspolen. Litiumjonerna finns i en skiktad struktur i pluspolen och lagras i minus-polens skiktade kol-struktur.

När batteriet är helt urladdat finns inga litium-joner kvar i pluspolen.

Batteriövervakningen ska kunna jämna ut spänningen över batteriets alla celler så att spänningen över varje battericell blir lika stor. Det ska helst bara skilja några tusendels volt mellan cellerna. En vanlig voltmeter kan möjligen mäta hundradels volt och räcker inte till för att mäta cellspänningen.

Urladdning av litiumjon

När batteriet laddas ur, frigörs litiumjoner från skikten i minuspolen till elektrolyten och förs vidare till pluspolen där de lagras i pluspolens skiktade litium-struktur.

I ett fulladdat batteri är pluspolens alla platser för litium-joner upptagna, medan minuspolens alla platser är lediga.

Den här reversibla processen kan upprepas utan att de skiktade strukturerna förstörs. Inom kemin kallas processen för intercalation och utgör grunden för litiumjon-batterier.

Jämfört med bly-syra batterier har litiumbatterier flera fördelar

  • De kan lagra mer energi per kg batteri
  • De tar emot en konstant laddningsström
  • De kan laddas ur mer
  • De tål många fler laddningscykler och ändå har de ca 80% av kapaciteten kvar efter att ha gått igenom alla laddningscykler.

Eftersom de har en annan laddningskarakteristik (andra spänningsnivåer) kan man inte bara byta bly-syra batterier mot Litium. Eftersom laddningsspänningen i princip är konstant hela laddningsförloppet behövs det en shunt för att mäta batteriets laddningsnivå.

Variationer litumjon celler

Utformning av batteripoler

Form battericeller

Precis som med bly-syra batterier, finns det fyrkantiga (prismatiska) eller runda (cirkulära) battericeller.

Med fyrkantiga celler kan man öka energitätheten när den yttre batterilådan är fyrkantig. Runda battericeller är ofta enklare att tillverka eftersom man rullar ihop långa batteripoler istället för att koppla ihop flera parallellt som i prismatiska celler.

Kemiska variationer

Genom att variera kemin i batteripolerna kan man skapa litium-jon batterier med olika egenskaper.

Pluspolens kemi används för att ange vilken typ av litium-jon batteri det är.

Minuspolen kan också tillverkas av olika ämnen. Än så länge är det vanligast med kol i minuspolen och det begränsar energitätheten till ca 370 Wh/kg i batteriet, oavsett pluspolens utformning.

Tabellen nedan visar några av det vanligaste materialen idag och utvecklingen pågår fortfarande.

FörkortningTyp av kemi i pluspolEgenskaperAnvändning
NCMLitium Cobolt Magnesiumoxidenergitätafordon
NCALitium Nickel Kobolt Aluminiumoxideenergitäta, livslängdfordon
LMOLitium Magnesiumoxideenergitätatelefoner, fordon
LFPLitium Järnfosfatsäkra, inga
exotiska metaller
fordon, fritid
LCOLitium Koboltoxideenergitätalaptops
Types of lithium-ion batteries

Litiumjon-batteri i båtar

För användning i båtar rekomenderas LFP eftersom de har bra livslängd och är säkrast att använda jämfört med de andra typerna a litiumjon-batterier.

Batteriuppbyggnad LFP

LFP batterier byggs ofta med den nominella spänningen 12V eller 24V. Eftersom en LFP battericell ger 3.2V när den är fullt laddad, innehåller et 12V batteri 4 st seriekopplade battericeller där varje cell utgörs av en egen behållare med elektrolyt, anod och katod som är skilda åt av ett membran som kan släppa igenom litiumjoner.

Problem

Obalanserad cellspänning litiumjon-batterier

Eftersom litiumjon-batterier har nästan konstant spänning under hela laddnings- och urladdningsförloppet jämfört med ett bly-syra batteri, är de här batterierna mycket mer känsliga för om cellerna i batteriet har olika spänning. Spänningsskillnaden mellan ett 20% laddat och 95% laddat batteri är väldigt liten, ca 0.1V, och det gör att för varje 10% laddning ändras spänningen ungefär 0.01V.

  • När en av cellerna har uppnått maxspänning stängs laddningen av och om cellerna är i obalans kommer de andra cellerna inte att bli riktigt fulladdade.
  • När batteriet laddas ur och en cell når lägsta tillåtna spänning, kopplas hela batteriet bort och energin i kvarvarande celler kan inte användas.

Skötsel litiumjon-batterier

Det finns några regler som man alltid ska följa

  • Ladda inte ur batteriet för fort
  • Ladda inte ur batteriet för mycket
  • Ladda inte när det är för kallt eller för varmt
  • Låt batteriet vara laddat till 70-80% när det kopplas bort från laddaren

Vill man öka batteriets livslängd ytterligare, ska man se till att

  • Hålla batteriet svalt, 15-20 grader Celcius.
  • Inte ladda mer än till 95% SoC
  • Inte ladda ur mer än till 25% SoC

Sammankoppling av litiumjon-batterier

Trots att litiumjon-batterier har högre energidensitet än bly-syra batterier, väger ett 12V batteri med kapaciteten 400Ah ca 50 kg. Det ger drygt 300Ah (3600 Wh) tillgänglig energi och räcker inte riktigt till förbrukningen på vår fiktiva segelbåt, se Elsystem, Del 3 – Batterival i delsystemen där det finns en beräkning av energibehovet ombord.

Har båten behov av att lagra mer energi, behöver man parallellkoppla batterier. Se till att det finns en BMS som kan balansera de parallellkopplade batterierna.

Vilka litiumbatterier ska man välja?

Välj bara LFP-batterier till båten, det är de enda litiumjon-batteriet som är riktigt säkert idag och jag känner inte till något fall där de börjat brinna i en båt.

I Elsystem, Del 3 – Batterival i delsystemen kan du läsa mer om motiveringen av batterivalet för den fiktiva båten som används som referens i artiklarna.

Skyddsfunktioner

Tänk på att se batterierna som en del i ett större system där både laddare och förbrukare ingår. För att skydda batterier och båt måste man se till att batterilösningen är övervakad, d.v.s att den stänger av laddningen när batterierna är fulladdade och att de stänger av strömuttag när de är på väg att ta slut. Laddarna ska känna till batteritemperatur och verklig laddningsspänning.

Det måste även finnas en skyddsfunktion som kopplar bort batterierna när strömmen till eller från dem blir för stor. Detta för att hindra att batterierna överhettas men också för att förhindra överhettning av kablar i båten.

Batteriövervakningen ska kunna jämna ut spänningen över batteriets alla celler så att spänningen över varje battericell blir lika stor. Det ska bara skilja några tusendels volt (0.003V) mellan alla celler i batteriet. Mellan batterierna i en batteribank bör det skilja maximalt några hundradels volt (0.03V)

Se till att laddare och batterier kan jobba ihop, ex.vis om du har laddare från Mastervolt eller Victron så underlättar det att även köpa batterier från samma tillverkare.

Väljer du att bygga själv, rekommenderar jag att du

  • Använder 12V/24V batterier med inbyggd cellbalansering.
  • Använd BMS för automatisk balansering av parallellkopplade batterier.
  • Bygg in automatik för bortkoppling av laddare när batteriet är fulladdat.
  • Bygg in automatik för bortkoppling/avstängning från förbrukarna när spänningen blir för låg.
  • Bygg in automatik för bortkoppling av batteriet när strömmen till/från batteriet blir för stor.
  • Bygg in automatik för bortkoppling vid för låg temperatur.
  • Bygg in automatik för bortkoppling vid för hög temperatur.

%d bloggare gillar detta: