Διάταξη μέτρησης χαρακτηριστικών φόρτισης μπαταρίας ιόντων λιθίου

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Διάταξη μέτρησης χαρακτηριστικών φόρτισης μπαταρίας ιόντων λιθίου ΚΟΥΡΤΙΔΗΣ ΒΑΣΙΛΗΣ ΧΟΥΡΤΙΡΟΥΔΗΣ ΓΙΩΡΓΟΣ Επιβλέπων: Καθηγητής Λιτσαρδάκης Γεώργιος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2014

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στη σημερινή εποχή παρατηρείται ραγδαία αύξηση στις απαιτήσεις για αποθήκευση της ενέργειας. Η χρήση των φορητών ηλεκτρονικών συσκευών αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας του ανθρώπου. Παράλληλα, οι απαιτήσεις για παραγωγή ενέργειας, με σεβασμό στο περιβάλλον, καθιστά αναγκαία τη στροφή των βιομηχανιών στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τέλος, τα ηλεκτρικά οχήματα προβάλλουν όλο και περισσότερο ως μια αξιόπιστη και οικολογική λύση στο χώρο των συγκοινωνιών. Όλα τα παραπάνω καθιστούν αναγκαία τη βελτίωση της τεχνολογίας των μπαταριών, καθώς αυτές αποτελούν το πιο διαδεδομένο μέσο αποθήκευσης της ενέργειας. Επομένως, είναι εμφανές ότι η εξέλιξη στο χώρο των μπαταριών θα πρέπει να συμβαδίσει με τις υψηλές απαιτήσεις των εφαρμογών τους. Στην παρούσα διπλωματική επιχειρείται μια μελέτη της μπαταρίας, καθώς και μια προσπάθεια κατασκευής μιας διάταξης φόρτισης μπαταριών ιόντων λιθίου, η οποία θα εξασφαλίζει την ομαλή τους λειτουργία. Αρχικά, παρατίθεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή και εξέλιξη στην τεχνολογία της μπαταρίας. Στη συνέχεια, επιχειρείται μια σύντομη ανάλυση των βασικών χαρακτηριστικών της μπαταρίας(τάση, χωρητικότητα, ενέργεια), της αρχής λειτουργίας της, καθώς και της δομής των κελιών που την απαρτίζουν. Στη συνέχεια, παρατίθεται μια πιο εξειδικευμένη αναφορά στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες είναι και αυτές που θα μελετηθούν πειραματικά, μέσω της διάταξης φόρτισης. Στο 4 ο κεφάλαιο μελετάται η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας(state of Charge), καθώς και κάποιες μέθοδοι προσδιορισμού της, σε συνδυασμό με τους παράγοντες που την επηρεάζουν. Στο 5 ο κεφάλαιο αναλύεται η κατάσταση υγείας της μπαταρίας(state of Health), οι μηχανισμοί γήρανσης των μπαταριών ιόντων λιθίου, καθώς και κάποιες πειραματικές μέθοδοι προσδιορισμού του χρόνου ζωής τους. Στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής επιχειρείται η κατασκευή μιας διάταξης φόρτισης μπαταριών ιόντων λιθίου, η οποία θα εξασφαλίζει τη φόρτισή τους με τη μέθοδο Constant Current Constant Voltage(CC CV). Η συγκεκριμένη μέθοδος λαμβάνει υπόψη τα χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου και επιβαρύνει, το λιγότερο δυνατό, την κατάσταση υγείας τους. 1

3 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT.. Ευχαριστίες. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ Εισαγωγή 1.2 Πρώτες μορφές συσσωρευτών ενέργειας Αρχές του 1800: επινόηση της μπαταρίας. 1.4 Τέλη του 1800: επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές και ξηρά στοιχεία ος αιώνας: νέες τεχνολογίες ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ 2.1 Αρχή λειτουργίας. 2.2 Διαδικασία εκφόρτισης. 2.3 Διαδικασία φόρτισης Χαρακτηριστικά μεγέθη Τάση Χωρητικότητα Ειδική ενέργεια/ενεργειακή πυκνότητα Ειδική ισχύς Εσωτερική αντίσταση Βαθμός απόδοσης. 2.5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ. 3.1 Γενικά για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. 3.2 Λειτουργία μπαταριών ιόντων λιθίου Ηλεκτροχημεία της μπαταρίας ιόντων λιθίου 3.4 Χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου 3.5 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου 3.6 Επιδόσεις μπαταριών ιόντων λιθίου 3.7 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και μεγέθη μπαταριών ιόντων λιθίου 3.8 Ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου. 3.9 Γήρανση των μπαταριών ιόντων λιθίου Χαρακτηριστικά Φόρτισης των Μπαταριών ιόντων λιθίου 3.11 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ (State of charge) 4.1 ΓΕΝΙΚΑ. 4.2 Μέθοδοι προσδιορισμού του State of charge. 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν το SoC μπαταρίας λιθίου.. 2

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο : ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΥΓΕΙΑΣ (State of Health) ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ(Battery lifetime) 5.1 Κατάσταση υγείας (State of Health):Εισαγωγικές έννοιες ορισμοί 5.2 Χαρακτηρισμός της διάρκειας ζωής της μπαταρίας ιόντων λιθίου 5.3 Μηχανισμοί γήρανσης μπαταριών ιόντων λιθίου Σχηματισμός SEI(Solid Electrolyte Interphase) Προσμίξεις Επιμετάλλωση λιθίου Διάβρωση λιθίου Διοχέτευση αερίων «Μετανάστευση»(migration) των προϊόντων αντίδρασης 5.4 Πειραματικές μέθοδοι προσδιορισμού της διάρκειας ζωής(battery life) της μπαταρίας Ταχείες δοκιμές(accelerated testing) Δοκιμές «ημερολογιακής γήρανσης»(calendar ageing) Τυποποιημένοι κύκλοι(standarised Cycles) Εκτίμηση του κύκλου ζωής(cycle life evaluation). 5.5 Μοντελοποίηση της κατάστασης υγείας της μπαταρίας(state of Health modeling) 5.6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο : ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ 6.1 Κατασκευή φορτιστη. 6.2 Προγραμματισμός Labview 6.3 Πειραματική διάταξη 6.4 Συμπεράσματα 3

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή Μία από τις πιο σημαντικές και καινοτόμες ανακαλύψεις, τουλάχιστον των τελευταίων 400 χρόνων, είναι αναμφισβήτητα η ανακάλυψη του ηλεκτρισμού, η οποία άλλαξε ολοκληρωτικά το ρου της ιστορίας της ανθρωπότητας. Ωστόσο, η πρώτη σημαντική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας, ήρθε πολύ αργότερα και σε περιορισμένη αρχικά έκταση, με την εφεύρεση της μπαταρίας στα μέσα με τέλη του Αρκετά πριν εφευρεθούν οι ηλεκτρικές γεννήτριες και αναπτυχθούν τα ηλεκτρικά δίκτυα, την κύρια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούσαν οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές ή απλά μπαταρίες. Οι διαδοχικές βελτιώσεις της τεχνολογίας των συσσωρευτών οδήγησαν στην άνθηση πολλών σημαντικών ηλεκτρικών ανακαλύψεων, ξεκινώντας από τις πρώιμες επιστημονικές μελέτες, φθάνοντας στις απλές τεχνολογικές εφευρέσεις όπως αυτή του τηλεφώνου και του τηλεγράφου και καταλήγοντας σε φορητούς υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα και ηλεκτρικά οχήματα. 1.2 Πρώτες μορφές συσσωρευτών ενέργειας Η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των μπαταριών μπορεί να πηγαίνει ακόμα πιο πίσω στο χρόνο. Το 1936 κατά την κατασκευή ενός σιδηροδρόμου κοντά στη Βαγδάτη, εργάτες ανακάλυψαν μια «προϊστορική μπαταρία», γνωστή ως μπαταρία της Βαγδάτης ή μπαταρία της Παρθίας. Το εύρημα χρονολογείται από την Παρθία περίοδο και πιστεύεται ότι είναι 2000 ετών. Η αυτοκρατορία των Πάρθων, θεωρείται από τους μεγαλύτερους πολιτισμούς στην περιοχή της Μεσοποταμίας και από τους πιο ενδιαφέροντες αρχαιολογικά.[1] Η μπαταρία της Βαγδάτης αποτελείται από ένα πήλινο δοχείο μέσα στο οποίο υπήρχε ένας χάλκινος κύλινδρος με μία σιδερένια ράβδο στο εσωτερικό του. Όταν το δοχείο αυτό γέμιζε με διάλυμα ξυδιού ή κάποιο άλλο ηλεκτρολύτη όπως χυμό λεμονιού ή κρασί, παρήγαγε 1 με 2 Volt τάση. Σύμφωνα με τον Γερμανό αρχαιολόγο Wilhelm König που ασχολήθηκε με το εύρημα, το πήλινο αυτό δοχείο είχε τα χαρακτηριστικά ενός γαλβανικού στοιχείου. Ωστόσο, η χρήση του συγκεκριμένου δοχείου ως πηγή ηλεκτρισμού δεν έχει γίνει δεκτή από όλους τους επιστήμονες, καθώς σύμφωνα με άλλες εκδοχές, το εύρημα είναι πιθανό να χρησιμοποιούταν στην επιμετάλλωση.[2] 4

6 Σχήμα 1 Η μπαταρία της Βαγδάτης ή μπαταρία της Παρθίας 1.3 Αρχές του 1800: επινόηση της μπαταρίας Το 1791, ο Luigi Galvani, Ιταλός καθηγητής ανατομίας στο Πανεπιστήμιο της Μπολόνια, ανακάλυψε κατά τύχη ότι ήταν δυνατό να προκαλέσει ροή ρεύματος κατά μήκος ενός ηλεκτρικού αγωγού βυθίζοντας απλώς δύο διαφορετικά μέταλλα μέσα σε μια υγρή ουσία. Με αφορμή αυτή την ανακάλυψη του Galvani, ο Alessandro Volta, καθηγητής της φυσικής φιλοσοφίας στο γειτονικό Πανεπιστήμιο της Παβίας, πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων, χρησιμοποιώντας ψευδάργυρο, μόλυβδο, κασσίτερο και σίδηρο για τη θετική πλάκα, και χαλκό, άργυρο, χρυσό ή γραφίτη για την αρνητική. Το 1800, ανακάλυψε ότι χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα υγρά ως αγωγούς για την πρόκληση χημικής αντίδρασης μεταξύ των πλακών ηλεκτροδίων, παραγόταν μία συνεχής ροή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό οδήγησε στην εφεύρεση της πρώτης μπαταρίας: τη «βολταϊκή στήλη». Ο Volta συναρμολόγησε μια σειρά από δίσκους αργύρου και ψευδαργύρου εναλλάξ, μονώνοντας τα ζεύγη μεταξύ τους με φύλλο από χαρτόνι, βρεγμένο σε αγώγιμο υγρό (αλατόνερο). Όταν ο ακραίος δίσκος αργύρου συνδεόταν μέσω εξωτερικού καλωδίου με τον ακραίο δίσκο ψευδαργύρου, παραγόταν ρεύμα. 5

7 Ο Volta πίστευε ότι το ρεύμα προερχόταν από την επαφή των δύο μετάλλων, ενώ στην πραγματικότητα αναπτυσσόταν διαμέσου του βρεγμένου χαρτονιού, που ήταν ένας ηλεκτρολύτης. Κατασκεύασε στήλες με μέχρι 60 ζεύγη δίσκων, αλλά με τη χρήση, η στήλη στέγνωνε και ετίθετο έτσι εκτός λειτουργίας. Αυτό οδήγησε τον Volta στην επινόηση μιας τροποποίησης, την οποία ονόμασε «στέμμα κυπέλλων». Κάθε κύπελλο περιείχε ένα κομμάτι από άργυρο και ψευδάργυρο και ένα διάλυμα άλατος. Ο ψευδάργυρος κάθε κυπέλλου συνδεόταν ηλεκτρικώς με τον άργυρο του γειτονικού κυπέλλου, τα οποία ήταν διατεταγμένα κυκλικά. Ο Volta μετρούσε την ισχύ της μπαταρίας τοποθετώντας απλώς τα δάκτυλά του στα δύο άκρα. Σχήμα 2 Η βολταϊκή στήλη και η τροποποίησή της, το «στέμμα κυπέλλων» Η Γαλλία ήταν μία από τις πρώτες χώρες που αναγνώρισε επίσημα τις ανακαλύψεις του Volta. Μετά από πρόσκληση του Ινστιτούτου της Γαλλίας, ο Volta πραγματοποίησε εκεί μια σειρά διαλέξεων τις οποίες παρακολούθησε και ο Ναπολέων Βοναπάρτης ως μέλος του Ινστιτούτου. Νέες ανακαλύψεις πραγματοποιήθηκαν όταν ο σερ Humphry Davy κατασκεύασε μια τεράστια μπαταρία στο υπόγειο της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου. Συνέδεσε τη μπαταρία σε ηλεκτρόδια ξυλάνθρακα και παρήγαγε το πρώτο ηλεκτρικό φως. Όπως αναφέρθηκε από μάρτυρες, ήταν «το πιο εντυπωσιακό φως που είχαν δει ποτέ». Οι ανακαλύψεις του Davy βασίστηκαν κυρίως στην ηλεκτροχημεία.[3] 6

8 Το 1802, ο χημικός William Cruickshank σχεδίασε την πρώτη ηλεκτρική μπαταρία για μαζική παραγωγή. Τοποθέτησε τετράγωνα φύλλα χαλκού, τα οποία συγκόλλησε στα άκρα μεταξύ τους με φύλλα ψευδαργύρου ίσου μεγέθους. Αυτά τα φύλλα τοποθετήθηκαν μέσα σε ένα μακρύ ορθογώνιο ξύλινο κουτί το οποίο ήταν σφραγισμένο με τσιμέντο. Εσοχές μέσα στο κουτί κρατούσαν τις πλάκες χαλκού στη θέση τους. Το κουτί στη συνέχεια γέμιζε με έναν ηλεκτρολύτη άλμης ή με αραιωμένο οξύ. Ο συγκεκριμένος συσσωρευτής έλυνε το πρόβλημα της στήλης του Volta, στην οποία λόγω του βάρους των πλακών παρατηρούταν διαρροή ηλεκτρολύτη. Όσο το ξύλινο κουτί παρέμενε ανέπαφο, δεν υπήρχε κίνδυνος διαρροής. Επίσης, η μπαταρία του Cruickshank(trough battery) παρήγαγε περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.[1] Σχήμα 3 Η μπαταρία του Cruickshank(trough battery) Το 1836, ένας άλλος χημικός, ο John F. Daniell, καθηγητής στο Βασιλικό Κολλέγιο του Λονδίνου, ανέπτυξε την κλασική μορφή του απλού, μη επαναφορτιζόμενου στοιχείου, δηλαδή ενός συσσωρευτή που δεν ήταν δυνατό να επαναφορτιστεί μετά την πρώτη της αποφόρτιση. Στο στοιχείο αυτό, γνωστό και ως στοιχείο Daniell, το αρνητικό ηλεκτρόδιο ή άνοδος, ήταν μια ράβδος από καθαρό ψευδάργυρο τοποθετημένη μέσα σε θειικό οξύ (ηλεκτρολύτης). Για προστασία του από προσβολή του οξέως, ο ψευδάργυρος καλυπτόταν με στρώμα υδραργύρου. Το θετικό ηλεκτρόδιο ή κάθοδος συνίστατο από ένα χάλκινο κάνιστρο (δοχείο) που περιείχε θειικό οξύ κορεσμένο με θειούχο χαλκό. Το στοιχείο Daniell παρήγαγε πιο σταθερό ρεύμα από τις προηγούμενες μπαταρίες που είχαν κατασκευασθεί.[4] 7

9 Σχήμα 4 Το στοιχείο του Daniell Τρία χρόνια αργότερα, το 1839, ο Sir William Grove, Βρετανός δικαστής με σημαντική συνεισφορά στην επιστήμη, δημοσίευσε την περιγραφή μιας συστοιχίας με χρήση ηλεκτροδίων από λευκόχρυσο, τοποθετημένων σε σωλήνες ανεστραμμένους μέσα σε διάλυμα θειικού οξέος και ύδατος. Όταν ηλεκτρικό ρεύμα περνούσε μέσα από τη συσκευή, το νερό διασπώνταν στα συστατικά του (υδρογόνο και οξυγόνο), τα οποία και συγκεντρώνονταν χωριστά στους δύο σωλήνες. Από αυτή τη «φορτισμένη» μπαταρία μπορούσε να παραληφθεί υπολογίσιμο ρεύμα και σχεδόν διπλάσια τάση από αυτή που παρήγαγε το στοιχείο Daniell. Επίσης, ήταν το πρώτο στοιχείο καυσίμου στο οποίο τα αντιδρώντα συστατικά, υδρογόνο και οξυγόνο, δεν περικλείονταν στα ηλεκτρόδια. Χάρη στα παραπάνω χαρακτηριστικά, το στοιχείο Grove έγινε για αρκετό καιρό ο «αγαπημένος» συσσωρευτής του αμερικανικού τηλεγραφικού δικτύου. Ωστόσο, όταν λειτουργούσε, εξέπεμπε δηλητηριώδεις αναθυμιάσεις μονοξειδίου του αζώτου, η τάση έπεφτε δραστικά με τη μείωση της φόρτισης του συσσωρευτή, ενώ είχε και υψηλό κόστος κατασκευής, λόγω του λευκόχρυσου. Έτσι, με την αύξηση της πολυπλοκότητας του τηλεγραφικού δικτύου, το στοιχείο Grove αντικαταστάθηκε. 8

10 1.4 Τέλη του 1800: επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές και ξηρά στοιχεία Το στοιχείο μολύβδου οξέος, που είναι και η πρώτη πρακτικώς φορτιζόμενη και πιθανώς ευρύτατα χρησιμοποιούμενη μπαταρία σήμερα, επινοήθηκε από τον Gaston Planté, Γάλλο φυσικό, το Το στοιχείο του Planté αποτελούνταν από δύο φύλλα μολύβδου χωριζόμενα με λωρίδες από ελαστικό και τυλιγμένα σε σπείρα. Το στοιχείο όταν βυθιζόταν σε υδαρές διάλυμα 10% θειικού οξέος και φορτιζόταν, μπορούσε να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια. Μολονότι το στοιχείο του Planté μπορούσε να αποδώσει την αποθηκευμένη ενέργεια πολύ γρήγορα, δηλαδή μπορούσε να παραγάγει ισχυρό ρεύμα, παρέμεινε για είκοσι περίπου χρόνια απλώς μια εργαστηριακή επινόηση.[5] Το πρώτο «ξηρό» στοιχείο επινοήθηκε περί το 1865 από τον Γάλλο χημικό Georges Leclanché και παραμένει ένα από τα πλέον χρησιμοποιούμενα μη επαναφορτιζόμενα στοιχεία. Στην αρχική του μορφή αποτελούνταν από μια γυάλινη λάγηνο (στάμνα) που περιείχε ως ηλεκτρολύτη διάλυμα χλωριούχο αμμωνίου. Η άνοδος ήταν ράβδος ψευδαργύρου προστατευόμενη από τη διάβρωση με στρώμα υδραργύρου. Με την πρόσδοση ηλεκτρικού ρεύματος παράγονταν ιόντα υδραργύρου, που κινούνταν προς το διάλυμα. Στο κέντρο της λαγήνου ήταν τοποθετημένο ένα πορώδες πήλινο δοχείο, που περιείχε μίγμα κονιοποιημένου διοξειδίου του μαγγανίου και άνθρακα, και το οποίο λειτουργούσε ως αγώγιμο υλικό για να συνδέει τη σκόνη του διοξειδίου του μαγγανίου με την κάθοδο. Η κάθοδος ήταν ράβδος από άνθρακα και ήταν τοποθετημένη στο κέντρο του πήλινου δοχείου. Με τη ροή του ρεύματος, το διοξείδιο του μαγγανίου μετατρεπόταν σε οξείδιο.[6] Σχήμα 5 Το στοιχείο του Leclanché 9

11 Το 1886, ο Carl Gassner έλαβε ένα γερμανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μία παραλλαγή του στοιχείου του Leclanché, που έγινε γνωστή ως το ξηρό στοιχείο καθώς δεν περιείχε κάποιο ελεύθερο υγρό ηλεκτρολύτη. Αντίθετα, το χλωριούχο αμμώνιο αναμίχθηκε με γύψο δημιουργώντας μια μάζα, στην οποία προσθέτοντας μια μικρή ποσότητα χλωριούχου ψευδαργύρου παρατεινόταν η χρονική διάρκεια αποθήκευσης. Το διοξείδιο του μαγγανίου (κάθοδος) βυθιζόταν σε αυτή τη μάζα, και στη συνέχεια και τα δύο μαζί σφραγίζονταν σε ένα κέλυφος ψευδαργύρου, το οποίο λειτουργούσε ως άνοδος. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα υγρά στοιχεία, το στοιχείο του Gassner ήταν περισσότερο ανθεκτικό, δεν απαιτούσε ιδιαίτερη συντήρηση, δεν χυνόταν και μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με οποιονδήποτε προσανατολισμό. Παρήγαγε δυναμικό 1.5V. Η πρώτη μαζική παραγωγή του στοιχείου έγινε το 1896 από τη National Carbon Company, η οποία βελτίωσε το στοιχείο του Gassner, αντικαθιστώντας το γύψο με χαρτόνι τυλιγμένο σε σπείρα, μία καινοτομία που άφηνε περισσότερο χώρο για την κάθοδο και διευκόλυνε στην κατασκευή του. Ήταν η πρώτη εύχρηστη μπαταρία για το κοινό και έκανε τις φορητές ηλεκτρονικές συσκευές περισσότερο πρακτικές. Ο συσσωρευτής ψευδαργύρου άνθρακα, όπως ονομάζεται σήμερα, συνεχίζει να κατασκευάζεται.[7] Το 1899, ο Σουηδός Waldemar Jungner επινόησε την επαναφορτιζόμενη μπαταρία νικελίου καδμίου (NiCd), η οποία χρησιμοποιούσε ως ηλεκτρόδια νικέλιο για την άνοδο και κάδμιο για την κάθοδο, σε διάλυμα υδροξειδίου του καλίου. Ήταν η πρώτη μπαταρία με αλκαλικό ηλεκτρολύτη. Εμπορευματοποιήθηκε στη Σουηδία το 1910, ενώ στην Αμερική έφτασε πολύ αργότερα, το Τα πρώτα μοντέλα της μπαταρίας νικελίου καδμίου ήταν ανθεκτικά και είχαν σημαντικά καλύτερη πυκνότητα ενέργειας από τις προηγούμενες μπαταρίες που είχαν κατασκευασθεί, όμως εξαιτίας του υψηλού κόστους των υλικών συγκριτικά με το ξηρό στοιχείο και το στοιχείο μολύβδου οξέος περιορίσθηκε η χρήση τους.[8] Σχήμα 6 Η μπαταρία NiCd του Waldemar Jungner 10

12 Δύο χρόνια αργότερα, το 1901, ο Edison κατασκεύασε μία διαφορετική εκδοχή της μπαταρίας νικελίου καδμίου, αντικαθιστώντας το κάδμιο με σίδηρο. Ωστόσο, η χαμηλή ειδική ενέργεια, η μικρή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες και η γρήγορη αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας, μετρίασαν την επιτυχία της. Νέες βελτιώσεις δεν παρουσιάστηκαν μέχρι το 1932, όταν ο Shlecht και ο Ackermann κατάφεραν να αυξήσουν το ρεύμα φορτίου και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών νικελίου καδμίου, επινοώντας την πορώδη πλάκα του πόλου της μπαταρίας ος αιώνας: νέες τεχνολογίες Η μπαταρία νικελίου καδμίου όπως την ξέρουμε σήμερα, εμφανίσθηκε το 1947 όταν ο George Neumann κατάφερε το αεροστεγές κλείσιμο του κελιού της μπαταρίας. Για πολλά χρόνια η μπαταρία νικελίου καδμίου ήταν η μόνη επαναφορτιζόμενη μπαταρία για φορητές εφαρμογές. Η μπαταρία ψευδαργύρου άνθρακα συνέχισε μέχρι τα τέλη του 1950 να είναι η κύρια μη επαναφορτιζόμενη μπαταρία που χρησιμοποιούταν, αν και η σχετικά μικρή διάρκεια ζωής της περιόριζε τις πωλήσεις της. Το 1955 ο μηχανικός Lewis Urry, εργαζόμενος στην Eveready, θυγατρική εταιρεία της National Carbon Company που αργότερα μετονομάστηκε σε Energizer, ασχολήθηκε με την εξεύρεση ενός τρόπου που θα αύξανε τη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών ψευδαργύρουάνθρακα. Αντί αυτού όμως, ο Urry αποφάσισε ότι οι αλκαλικοί συσσωρευτές ήταν πολλά υποσχόμενοι. Μέχρι τότε, οι μεγάλης διάρκειας αλκαλικοί συσσωρευτές ήταν ανυπέρβλητα ακριβοί. Οι μπαταρίες του Urry αποτελούνταν από διοξείδιο του μαγγανίου στην κάθοδο, σκόνη ψευδαργύρου στην άνοδο και αλκαλικό ηλεκτρολύτη. Η σκόνη ψευδαργύρου έδωσε στην κάθοδο μεγαλύτερη έκταση επιφάνειας. Οι συγκεκριμένες μπαταρίες βγήκαν στην αγορά το 1959.[9] Η μπαταρία νικελίου υδρογόνου εισήλθε στην αγορά ως ένα υποσύστημα αποθήκευσης ενέργειας για εμπορικούς δορυφόρους επικοινωνίας μέσα στη δεκαετία του Μία παραλλαγή της νικελίου υδρογόνου, είναι οι μπαταρίες νικελίου υδριδίου μετάλλου (Ni MH) που ήταν διαθέσιμες για χρήση το 1989 για μικρές εφαρμογές. Οι μπαταρίες Ni MH τείνουν να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τις νικελίου υδρογόνου και η οποία συνεχίζει να αυξάνεται καθώς οι κατασκευαστές δοκιμάζουν νέα κράματα. Επιπλέον, τη δεκαετία του 90, περιβαλλοντολόγοι στην Ευρώπη άρχισαν να εκφράζουν ανησυχίες για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις κατά την απόρριψη των συσσωρευτών νικελίουκαδμίου, καθώς το κάδμιο είναι τοξικό. Έτσι, ξεκίνησε μια εκστρατεία περιορισμού της χρήσης των συγκεκριμένων μπαταριών, ζητώντας από τους καταναλωτές να προτιμούν τις μπαταρίες Ni MH ως πιο φιλικές προς το περιβάλλον.[10] 11

13 Πολλοί προέβλεψαν ότι οι μπαταρίες Ni MH θα αποτελούσαν το σκαλοπάτι για τις μεγαλύτερης διάρκειας μπαταρίες λιθίου. Το λίθιο είναι το μέταλλο με τη μικρότερη πυκνότητα και το μεγαλύτερο ηλεκτροχημικό δυναμικό και αναλογία ενέργειας προς βάρος και επομένως θεωρητικά αποτελεί το ιδανικό υλικό για την κατασκευή συσσωρευτών. Τα πειράματα των μπαταριών λιθίου ξεκίνησαν το 1912 από τον G.N.Lewis και τη δεκαετία του 70 πουλήθηκαν οι πρώτες μπαταρίες λιθίου.[11] Τρεις σημαντικές εξελίξεις σημάδεψαν τη δεκαετία του 80. Το 1980, ο Αμερικανός χημικός John B. Goodenough χρησιμοποίησε το οξείδιο λιθίουκοβαλτίου για το ηλεκτρόδιο της καθόδου των μπαταριών λιθίου (θετικό άκρο) και ο ερευνητής Rachid Yazami το γραφίτη για την άνοδο (αρνητικό άκρο). Αυτά, οδήγησαν μία ομάδα ερευνητών υπό τον Akira Yoshino να κατασκευάσουν το πρώτο πρότυπο της μπαταρίας ιόντων λιθίου (Li ion) το 1985, μία επαναφορτιζόμενη και περισσότερο σταθερή εκδοχή της μπαταρίας λιθίου. Η Sony εμπορευματοποίησε την πρώτη μπαταρία ιόντων λιθίου το Εκτός από την χρήση τους στα κινητά τηλέφωνα, στους φορητούς υπολογιστές, στις ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και σε ιατρικές συσκευές, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται και στα ηλεκτρικά οχήματα. Οι περισσότερες ερευνητικές δραστηριότητες σήμερα σχετίζονται με τη βελτίωση των συσσωρευτών λιθίου. Το 1997 κυκλοφόρησαν οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου με ηλεκτρολύτες από πολυμερή. Αυτές οι μπαταρίες έχουν τους ηλεκτρολύτες τους σε ένα στερεό σύνθετο πολυμερές αντί σε ένα υγρό διαλύτη και τα ηλεκτρόδια με τους διαχωριστές σε ελάσματα μεταξύ τους. Αυτές οι διαφορές επιτρέπουν τους συσσωρευτές να «εγκλωβίζονται» μέσα σε ένα σταθερό περιτύλιγμα αντί μέσα σε ένα άκαμπτο μεταλλικό περίβλημα, πράγμα που σημαίνει ότι οι εν λόγω συσσωρευτές μπορούν να είναι ειδικά διαμορφωμένοι για να τοποθετηθούν σε μια συγκεκριμένη συσκευή. Επίσης, έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα συγκριτικά με τις απλές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτά τα πλεονεκτήματα, τις καθιστούν τις ιδανικές μπαταρίες για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς επιτρέπουν μεγαλύτερη ευελιξία και συμπαγή σχεδιασμό.[12] Από τις πρώτες ημέρες η εξέλιξη της ανθρωπότητας εξαρτάται απόλυτα από τον ηλεκτρισμό, ένα αγαθό, χωρίς το οποίο οι όποιες τεχνολογικές μας επιτεύξεις και εξελίξεις θα ήταν φτωχότερες. Οι αυξημένες ανάγκες για φορητότητα, ωθούν τους καταναλωτές σε φορητές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας με εφαρμογές στη μετακίνηση, την επικοινωνία αλλά και τη διασκέδαση. Όσο αναξιόπιστες και παράξενες κι αν φαίνονται στο σημερινό αναγνώστη οι πρώτες προσπάθειες για κατασκευή συσσωρευτών ενέργειας, ο ρόλος που έπαιξαν ήταν καταλυτικός. Εξάλλου, είναι δεδομένο ότι κάποια μέρα, οι απόγονοί μας ενδέχεται να παρακολουθήσουν τις δικές μας τεχνολογικές εξελίξεις με ανάλογο τρόπο που αντιμετωπίζουμε εμείς σήμερα τα αδέξια πειράματα των προκατόχων μας. 12

14 Παρακάτω παρατίθεται ένας συγκεντρωτικός πίνακας με την ιστορική εξέλιξη της μπαταρίας απο τα τέλη του 18 ου αιώνα μέχρι σήμερα. Πίνακας Α 13

15 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] ion_battery 14

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ 2.1 Αρχή λειτουργείας: Ο συσσωρευτής ή μπαταρία είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη χημική ενέργεια που περιέχεται στο ενεργό υλικό του, απευθείας σε ηλεκτρική, μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης οξειδοαναγωγής. Αυτός ο τύπος αντίδρασης περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα υλικό στο άλλο μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Η διεργασία αυτή μπορεί να συνεχίζεται έως ότου διακοπεί το κύκλωμα ή κάποιο από τα αντιδρώντα στοιχεία εκλείψει. Καθώς η αντίδραση οξειδοαναγωγής στους συσσωρευτές γίνεται ηλεκτροχημικά, δεν υπόκειται στους περιορισμούς του κύκλου Carnot που διέπονται από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, με αποτέλεσμα οι μπαταρίες να έχουν υψηλότερη ενεργειακή απόδοση μετατροπής. Στις περιπτώσεις των επαναφορτιζόμενων συστημάτων, οι συσσωρευτές φορτίζονται ξανά, ακολουθώντας την αντίστροφη διαδικασία. 2.2 Διαδικασία εκφόρτισης: Όταν το ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι συνδεδεμένο με ένα εξωτερικό φορτίο, ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του εξωτερικού φορτίου από την άνοδο, η οποία οξειδώνεται, προς την κάθοδο, όπου δέχεται τα ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό κύκλωμα ολοκληρώνεται με τον ηλεκτρολύτη και τη ροή ανιόντων (αρνητικών ιόντων) και κατιόντων (θετικών ιόντων) προς την άνοδο και την κάθοδο, αντίστοιχα. 15

17 Απλή απεικόνιση της διαδικασίας εκφόρτισης ενός στοιχείου 2.3 Διακασία φόρτισης: Κατά τη διάρκεια της επαναφόρτισης ενός επαναφορτιζόμενου στοιχείου, η ροή του ρεύματος (ροή των ηλεκτρονίων) αντιστρέφεται, η οξείδωση λαμβάνει χώρα στο θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) και αυτό που ανάγεται τώρα είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος). Καθώς εξορισμού, η άνοδος είναι το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται η οξείδωση και η κάθοδος το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται η αναγωγή, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι τώρα η άνοδος και το αρνητικό η κάθοδος. 16

18 Απλή απεικόνιση της διαδικασίας φόρτισης ενός (επαναφορτιζόμενου) στοιχείου 2.4 Χαρακτηριστικά μεγέθη: Κάθε μπαταρία χαρακτηρίζεται από διάφορα βασικά μεγέθη που αποτελούν τα χαρακτηριστικά του και συμβάλλουν μεταξύ άλλων στη δυνατότητα της σύγκρισης των διαφόρων τύπων συσσωρευτών και στην διαδικασία της επιλογής της κατάλληλης μπαταρίας για κάθε εφαρμογή. Παρακάτω, αναλύονται κάποια από τα βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη των συσσωρευτών και η σημασία τους, διαδικασία απαραίτητη για την κατανόηση των επόμενων κεφαλαίων Τάση: Η διαφορά δυναμικού που παρατηρείται μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου ονομάζεται τάση του ηλεκτροχημικού στοιχείου ή του συσσωρευτή. Η μονάδα μέτρησης της τάσης είναι τα Volts (V). Η τιμή της τάσης εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των ηλεκτροδίων, τη συγκέντρωση των υλικών των ηλεκτροδίων και τη θερμοκρασία Χωρητικότητα: Οι μπαταρίες χαρακτηρίζονται από την χωρητικότητά τους, δηλαδή την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που μπορούν να αποθηκεύσουν. Ως χωρητικότητα 17

19 μιας μπαταρίας θεωρείται η ποσότητα των ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων που παράγονται από το ενεργό υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου και καταναλώνονται από το ενεργό υλικό του θετικού ηλεκτροδίου. Η μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας είναι το Coulomb (C), επειδή όμως το 1 Coulomb είναι μικρή μονάδα, χρησιμοποιούνται τα Αμπερώρια (1 Ah=3600C). Για παράδειγμα, αν η χωρητικότητα ενός συσσωρευτή είναι 10Αh, αυτό σημαίνει ότι ο συσσωρευτής μπορεί να παρέχει ρεύμα έντασης 1Α για 10 ώρες ή 2Α για 5 ώρες κ.ο.κ. Η χωρητικότητα εξαρτάται από την ποσότητα των ενεργών υλικών του συσσωρευτή. Ένα πολύ μικρό ηλεκτροχημικό στοιχείο έχει μικρότερη χωρητικότητα από ένα μεγαλύτερο στοιχείο ίδιας χημικής σύστασης. Επίσης, η χωρητικότητα επηρεάζεται από τις συνθήκες εκφόρτισης όπως είναι ο ρυθμός εκφόρτισης (μεγάλος ρυθμός εκφόρτισης συνεπάγεται μικρή χωρητικότητα μπαταρίας), το ρεύμα εκφόρτισης, η τάση και η θερμοκρασία Ειδική ενέργεια/ενεργειακή πυκνότητα: Ως ειδική ενέργεια μιας μπαταρίας ορίζεται η ενεργειακή χωρητικότητα ανά μονάδα βάρους του συσσωρευτή (Wh/kg). Η θεωρητική ειδική ενέργεια είναι η μέγιστη ενέργεια που μπορεί να παραχθεί ανά μονάδα βάρους του ενεργού υλικού της μπαταρίας. Οι πρακτικές τιμές της ειδικής ενέργειας είναι αρκετά χαμηλότερες από τις θεωρητικές. Για παράδειγμα, στη μπαταρία μολύβδου οξέος που χρησιμοποιείται σε κάποιο όχημα αποδεικνύεται ότι μόνο το 26% του συνολικού του βάρους συμμετέχει στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ως ενεργειακή πυκνότητα ορίζεται η ενέργεια που παρέχεται ανά μονάδα όγκου του συσσωρευτή (Wh/L ή Wh/cm3) Ειδική ισχύς: Η ειδική ισχύς μιας μπαταρίας ορίζεται ως η μέγιστη ισχύς ανά μονάδα βάρους που μπορεί να παραχθεί σε ένα μικρό χρονικό διάστημα. Είναι χαρακτηριστικό της χημικής σύστασης της μπαταρίας και εξαρτάται κυρίως από την εσωτερική του αντίσταση. Έχει μονάδα μέτρησης το W/kg και καθορίζει το βάρος της μπαταρίας που απαιτείται για να επιτευχθεί η απαιτούμενη απόδοση Εσωτερική αντίσταση: Η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας συνήθως διαφέρει στη φόρτιση και την εκφόρτιση (χαμηλότερη στην εκφόρτιση και υψηλότερη στη φόρτιση). Εξαρτάται από τη χημική σύσταση της μπαταρίας και επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, το μέγεθος της μπαταρίας, την ηλικία της και το ρεύμα εκφόρτισης. Είναι απαραίτητο η εσωτερική αντίσταση κάθε συσσωρευτή να είναι σημαντικά μικρότερη της αντίστασης του φορτίου. Διαφορετικά, καθώς αυξάνεται η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, η απόδοση της μπαταρίας μειώνεται ενώ και η θερμική του ευστάθεια ελαττώνεται, διότι η ενέργεια που παρέχει η μπαταρία μετατρέπεται σε θερμότητα. 18

20 2.4.6 Βαθμός απόδοσης: Οι απώλειες ενέργειας και ισχύος κατά την εκφόρτιση ή τη φόρτιση εμφανίζονται με τη μορφή απώλειας τάσης. Έτσι, η απόδοση της μπαταρίας κατά την εκφόρτιση ή τη φόρτιση μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της τάσης λειτουργίας του συσσωρευτή προς τη θερμοδυναμική του τάση. Η θερμοδυναμική τάση ορίζεται ως η τάση ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας σε θερμοκρασία 25 C και πίεση 1atm. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ 3.1 Γενικά για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου Η τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου(lithium ion battery ή LIB) είναι η ταχύτερα αναπτυσσόμενη στο χώρο των μπαταριών τα τελευταία χρόνια. Μετά την τεράστια επιτυχία και επικράτησή τους στο χώρο των φορητών συσκευών, όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα και τα laptops, τα τελευταία χρόνια πραγματοποιήθηκε η μετάβασή τους από τα μικρά στοιχεία στις μπαταρίες μεγάλου μεγέθους με σκοπό τη χρήση τους σε ένα πλήθος εφαρμογών. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν μία από τις καλύτερες πυκνότητες ενέργειας, καμία επίδραση μνήμης (memory effect)(σημειώστε, ωστόσο, ότι μια νέα μελέτη έχει δείξει σημάδια φαινομένου μνήμης των μπαταριών ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούν LiFePO4 ως θετικό ηλεκτρόδιο [1]) και μόνο μια αργή απώλεια φόρτισης (loss of charge), όταν δεν είναι σε χρήση. Πέρα από ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν επίσης αυξανόμενη δημοτικότητα στις στρατιωτικές εφαρμογές, στα ηλεκτρικά οχήματα και στην αεροδιαστημική. [2] Για παράδειγμα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τείνουν να αντικαταστήσουν σταδιακά τις μπαταρίες μολύβδου οξέος που έχουν χρησιμοποιηθεί ιστορικά για αμαξάκια του γκολφ και επαγγελματικά οχήματα. Αντί των βαριών πλακών μολύβδου και οξέος ηλεκτρολύτη, η τάση είναι να χρησιμοποιούνται ελαφριά αρνητικά ηλεκτρόδια λιθίου άνθρακα και θετικά ηλεκτρόδια λιθίου φωσφορικού σιδήρου. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να παρέχουν την ίδια τάση με μπαταρίες μολύβδου οξέος, έτσι ώστε να μην απαιτείται καμία τροποποίηση στο σύστημα κίνησης του οχήματος. [3] 3.2Λειτουργία μπαταριών ιόντων λιθίου Η λειτουργία της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ιόντων λιθίου, βασίζεται στη μετακίνηση ιόντων λιθίου, μεταξύ της καθόδου και της ανόδου και ως εκ τούτου είναι ουσιώδης η διαφορά τους με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου,στις οποίες η βασική μορφή των υλικών καθόδου και ανόδου παραμένει αμετάβλητη[5]. Τα τρία κύρια στοιχεία μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το θετικό ηλεκτρόδιο και ο ηλεκτρολύτης. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο ενός συμβατικού στοιχείου ιόντων λιθίου είναι κατασκευασμένο από άνθρακα. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι ένα οξείδιο μετάλλου και ο ηλεκτρολύτης είναι ένα άλας λιθίου σε οργανικό διάλυμα. Οι ηλεκτροχημικοί ρόλοι των ηλεκτροδίων αλλάζουν μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, ανάλογα με τη διεύθυνση του ρεύματος που ρέει μέσα από το στοιχείο. Ανάλογα με την επιλογή των υλικών, η τάση, η χωρητικότητα, η ζωή και η ασφάλεια μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου μπορεί να αλλάξουν 20

22 δραματικά[4].στο σημείο αυτό, αξίζει να δούμε ξεχωριστά τα τρία αυτά δομικά συστατικά της μπαταρίας ιόντων λιθίου και τα υλικά από τα οποία αποτελούνται. Θετικό ηλεκτρόδιο Ένα βιώσιμο υλικό ηλεκτροδίου πρέπει να ικανοποιεί ορισμένες απαιτήσεις. Οι απαιτήσεις αυτές καθορίζουν την επιλογή και την ανάπτυξη των υλικών του θετικού ηλεκτροδίου. Για να υπάρξει η δυνατότητα μεγάλης χωρητικότητας, τα υλικά πρέπει να ενσωματώνουν μεγάλες ποσότητες λιθίου. Επιπλέον η αντιστρεπτή ανταλλαγή του λιθίου αυτού πρέπει να πραγματοποιείται με μικρή αλλαγή στη δομή των υλικών έτσι ώστε αυτά να επιτρέπουν μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή ηλεκτρική και ενεργειακή αποδοτικότητα. Για την επίτευξη υψηλής τάσης στοιχείου και υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, η αντίδραση ανταλλαγής λιθίου πρέπει να πραγματοποιείται σε υψηλό δυναμικό σε σχέση με το λίθιο. Όταν ένα στοιχείο φορτίζεται ή εκφορτίζεται, ένα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται ή επιστρέφει στο θετικό υλικό. Για να μπορεί αυτή η διαδικασία να πραγματοποιηθεί σε υψηλό ρυθμό, πρέπει η ηλεκτρονική αγωγιμότητα και η κινητικότητα των ιόντων λιθίου (Li+) στο υλικό να είναι υψηλή. Ακόμη, το υλικό πρέπει να είναι συμβατό με τα υπόλοιπα υλικά στο στοιχείο και, πιο συγκεκριμένα, να μην είναι διαλυτό στον ηλεκτρολύτη. Τέλος, το υλικό πρέπει να έχει αποδεκτό κόστος[6]. Για ελαχιστοποίηση του κόστους, προτιμάται η παρασκευή από οικονομικά υλικά μέσω μιας διαδικασίας χαμηλού κόστους. Το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου είναι συνήθως ένα οξείδιο μετάλλου με πολυεπίπεδη δομή, όπως είναι το οξείδιο λιθίου κοβαλτίου (LiCoO2) ή ένα υλικό με δομή σήραγγας όπως το οξείδιο λιθίου μαγγανίου (LiMn2O4), πάνω σε ένα συλλέκτη ρεύματος από λεπτό φύλλο αλουμινίου[4]. Αρνητικό ηλεκτρόδιο Από το 1970, στοιχεία παρεμβολής έχουν θεωρηθεί σαν υλικά ηλεκτροδίων για τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου. Ωστόσο, οι προσπάθειες ανάπτυξης κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970 και στις αρχές τις δεκαετίας του 1980 εστίασαν στη χρήση μετάλλου λιθίου σαν το αρνητικό ηλεκτρόδιο, λόγω της υψηλής ειδικής χωρητικότητας του μετάλλου. Με τον τρόπο αυτό αναπτύχθηκαν πολύ αποδοτικά στοιχεία, ωστόσο ζητήματα ασφάλειας στη χρήση μπαταριών μετάλλου λιθίου έστρεψαν τους κατασκευαστές στη χρήση παρεμβαλλόμενου σε άνθρακα λιθίου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Τα ζητήματα ασφάλειας οφείλονταν στη μεταβολή της μορφολογίας του λιθίου κατά τη διάρκεια ενός κύκλου του στοιχείου. Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι διαθέσιμοι πολλοί τύποι άνθρακα και η δομή του άνθρακα επηρεάζει σημαντικά τις ηλεκτροχημικές του ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένων της χωρητικότητας και του δυναμικού του λιθίου παρεμβολής. Το υλικό που χρησιμοποιείται για το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι συνήθως γραφιτικός άνθρακας (Graphitic carbon), ένα επίσης πολυεπίπεδο υλικό, πάνω σε ένα χάλκινο συλλέκτη ρεύματος.[6] 21

23 Ηλεκτρολύτης Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν χρησιμοποιηθεί 4 είδη ηλεκτρολυτών: υγροί ηλεκτρολύτες, gel ηλεκτρολύτες, ηλεκτρολύτες πολυμερούς και κεραμικοί ηλεκτρολύτες. Οι υγροί ηλεκτρολύτες είναι διαλύματα ενός άλατος λιθίου σε οργανικούς διαλύτες, συνήθως ανθρακικά άλατα. Ένας ηλεκτρολύτης πολυμερούς είναι ένα υλικό χωρίς διαλύτες, όπου μια ιοντικά αγώγιμη φάση σχηματίζεται διαλύοντας ένα άλας σε ένα πολυμερές υψηλού μοριακού βάρους, ενώ ένας gel ηλεκτρολύτης είναι ένα ιοντικά αγώγιμο υλικό, στο οποίο ένα άλας και ένα διάλυμα διαλύονται ή αναμειγνύονται με ένα πολυμερές υψηλού μοριακού βάρους. Οι κεραμικοί ηλεκτρολύτες αναφέρονται σε ανόργανα υλικά στερεάς κατάστασης που είναι ιοντικά αγώγιμα. Στα πλεονεκτήματα των ηλεκτρολυτών πολυμερών συμπεριλαμβάνονται οι βελτιωμένες ιδιότητες ασφάλειας που απορρέουν από τη χαμηλή τους μεταβλητότητα και το υψηλό τους ιξώδες, αφού δεν περιέχουν ένα μεταβλητό, εύφλεκτο διάλυμα. Ένα πιθανό πλεονέκτημα των gel ηλεκτρολυτών είναι ότι η υγρή φάση απορροφάται στο πολυμερές και έτσι είναι λιγότερο πιθανή η διαρροή από τη μπαταρία. Ωστόσο, σε μια τυπική μπαταρία ιόντων λιθίου με υγρό ηλεκτρολύτη, ο ηλεκτρολύτης απορροφάται σχεδόν ολοκληρωτικά στα υλικά του ηλεκτροδίου και του διαχωριστή και έτσι η πιθανότητα διαρροής σχεδόν μηδενίζεται. Οι σύχρονοι τύποι των μπαταριών λιθίου έχουν ονομαστική τάση 3.6 V. Η τιμή αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από την τάση ηλεκτρόλυσης του νερού, η οποία είναι 1.23 V. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην μπορούν να χρησιμοποιηθούν υδάτινοι ηλεκτρολύτες. Ο ηλεκτρολύτης στις μπαταρίες λιθίου είναι ένα οργανικό διάλυμα με διαλυμένα άλατα λιθίου. Συχνά, δύο με τέσσερα διαφορετικά διαλύματα αναμειγνύονται σε συγκεκριμένες αναλογίες και στη συνέχεια προστίθενται και άλλες ουσίες με σκοπό να κατασκευαστεί ο ηλεκτρολύτης με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν μια δομή τριών επιπέδων που αποτελείται από έναν πορώδη διαχωριστή στριμωγμένο μεταξύ των υλικών της ανόδου και της καθόδου, τα οποία, στην περίπτωση ενός πρισματικού στοιχείου, είναι τυλιγμένα σε ελλειπτική μορφή. Τα υλικά αυτά είναι εμποτισμένα σε έναν ηλεκτρολύτη και κλεισμένα σε μια μεταλλική θήκη. Η μεταλλική αυτή θήκη περιλαμβάνει μια βαλβίδα ασφαλείας για να προστατεύει την μπαταρία με την απελευθέρωση αερίων προς το εξωτερικό, σε περίπτωση που η πίεση στο εσωτερικό του στοιχείου ανέλθει σε υπερβολικά υψηλά επίπεδα[5]. 22

24 Σχήμα 1 Σχηματική απεικόνιση δομής και λειτουργίας μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου 3.3 Ηλεκτροχημεία της μπαταρίας ιόντων λιθίου: Σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, οι χημικές διεργασίες που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια ενός κύκλου φόρτισης εκφόρτισης περιγράφονται ως εξής: κατά την εκφόρτιση, ιόντα λιθίου Li+ μεταφέρουν το ρεύμα από το αρνητικό στο θετικό ηλεκτρόδιο μέσα από τον μη υδάτινο ηλεκτρολύτη και το διαχωριστικό διάφραγμα. Κατά τη φόρτιση, μια εξωτερική πηγή ενέργειας (το κύκλωμα φόρτισης) εφαρμόζει μια υπέρταση (μεγαλύτερη τάση αλλά με την ίδια πολικότητα) σε σχέση με αυτήν που παράγεται από την μπαταρία, αναγκάζοντας το ρεύμα να περάσει στην αντίθετη κατεύθυνση. Τα ιόντα λιθίου, στη συνέχεια, μεταναστεύουν από το θετικό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, όπου ενσωματώνονται στο πορώδες υλικό του ηλεκτροδίου σε μια διαδικασία που ονομάζεται παρεμβολή.[4] Οι χημικές αντιδράσεις για την αναστρέψιμη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης για τους δύο τύπους του θετικού ηλεκτροδίου φαίνονται παρακάτω: Για τον τύπο κοβαλτίου: Li 1 x CoO 2 + C n Li x LiCoO 2 + C n Για τον τύπο μαγγανίου: Li 1 x Mn 2 O 4 + C n Li x LiMn 2 O 4 + C n 23

25 Σχήμα 2 Σχηματική απεικόνιση ηλεκτροχημικών διεργασιών μπαταρίας ιόντων λιθίου 3.4 Χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου: Οι ηλεκτροχημικές δυνατότητες των πηγών ενέργειας που έχουν ως βάση το λίθιο είναι γνωστές εδώ και πάρα πολλά χρόνια. Οι εξελίξεις στην επεξεργασία και το χειρισμό των υλικών καθώς και στους μη υδάτινους ηλεκτρολύτες έδωσαν τη δυνατότητα στους κατασκευαστές να φτιάξουν στοιχεία στα οποία απεικονίζονται τα οφέλη που ήταν πιθανά με βάση τη θεωρία. Τα στοιχεία λιθίου προσφέρουν τη δυνατότητα μείωσης μεγέθους και βάρους στις ήδη υπάρχουσες εφαρμογές και καθιστούν δυνατή την κατασκευή νέων ελαφρύτερων σχεδιασμών. Επίσης, ο εξαιρετικός «χρόνος ραφιού» που έχουν, προσφέρει νέες δυνατότητες στους κατασκευαστές. Κάποια άλλα χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητά τους, η καλύτερη απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Στη συνέχεια, εξετάζουμε ορισμένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου και παραθέτουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου, που είναι και οι πιο διαδεδομένες σε χρήση. 24

26 1.Άριστη απόδοση Η μεγάλη επιτυχία που γνώρισαν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου στις φορητές εφαρμογές, οφείλεται κυρίως στην πολύ καλή απόδοσή τους. Η απόδοση της μπαταρίας σχετίζεται πάντα και με άλλα χαρακτηριστικά του συστήματος. Ένας τρόπος να συγκρίνουμε τα διάφορα συστήματα αποθήκευσης είναι αυτός που φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 3, όπου βλέπουμε τη σχέση μεταξύ της ειδικής ενέργειας σε Wh/kg και της ενεργειακής πυκνότητας σε Wh/L για διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης. Από το σχήμα αυτό φαίνεται καθαρά ότι οι μπαταρίες λιθίου έχουν πολύ μικρότερο μέγεθος και πολύ χαμηλότερο βάρος για δεδομένη αποθηκευμένη ενέργεια σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και τις μπαταρίες νικελίου καδμίου[7]. Στο διάγραμμα του σχήματος 4 απεικονίζεται η ειδική ενέργεια σε σχέση με την ειδική ισχύ για διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης. Είναι προφανές ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν καλύτερη απόδοση από τις αντίστοιχες μολύβδουοξέος όσον αφορά τόσο στην ενέργεια όσο και στην ισχύ για δεδομένο βάρος μπαταρίας. Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ ειδικής ενέργειας και ειδικής πυκνότητας για διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης 25

27 Σχήμα 4 Σχέση μεταξύ ειδικής ενέργειας και ειδικής ισχύος για διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης 2.Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα Η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, οφείλεται κυρίως στην τάση λειτουργίας των περισσότερων ηλεκτροχημικών ζευγών με βάση το λίθιο. Το λίθιο, έχοντας το μεγαλύτερο δυναμικό από τα μέταλλα της ηλεκτροχημικής σειράς (electromotive series), παρέχει μια τάση λειτουργίας περίπου διπλάσια από αυτή των παραδοσιακών συστημάτων. Λόγω της πολύ υψηλής ενεργειακής πυκνότητάς τους και της αντιδραστικότητας του μεταλλικού λιθίου, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι δυνητικά επικίνδυνες. Λανθασμένος χειρισμός μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας λιθίου μπορεί να προκαλέσει θέρμανση, έκρηξη ή πυρκαγιά. Ως εκ τούτου, είναι πάρα πολύ σημαντικό, όταν έχουμε να κάνουμε με αυτό τον τύπο μπαταριών, να εξασφαλίζεται η προστασία από υπερφόρτιση, υπερεκφόρτιση, πολύ μεγάλα ρεύματα, βραχυκυκλώματα καθώς και η λειτουργία σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. [4] Συνήθως, οι μπαταρίες λιθίου παρέχονται με ένα ενσωματωμένο ηλεκτρονικό ελέγχου, ως συσκευή προστασίας. Λειτουργεί ανεξάρτητα από τους εξωτερικούς φορτιστές ή συσκευές παρακολούθησης και επομένως είναι πλήρως ελεγχόμενη από τον κατασκευαστή της μπαταρίας. 3.Ανώτερη απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες Εξαιτίας της μη υδάτινης φύσης των ηλεκτρολυτών που χρησιμοποιούνται στα συστήματα λιθίου, η αγωγιμότητα αυτών των συστημάτων στις χαμηλές θερμοκρασίες είναι πολύ καλύτερη από αυτή των συστημάτων αποθήκευσης που προϋπήρχαν. 26

28 4.Μεγάλη διάρκεια ζωής «ραφιού» Ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημα που προσφέρουν τα συστήματα με βάση το λίθιο είναι η δυνατότητα για μεγάλες περιόδους «στο ράφι». Ερμητικά κλειστά στοιχεία, που έχουν κατασκευαστεί από συστήματα που δεν παράγουν αέρια κατά την εκφόρτιση, προστατεύουν το στοιχείο από προσμίξεις από το εξωτερικό περιβάλλον και προλαμβάνουν τη διαρροή του ηλεκτρολύτη από το στοιχείο. Αυτό, σε συνδυασμό με την απουσία αντιδράσεων αυτοεκφόρτισης ή το χαμηλό ρυθμό με τον οποίο πραγματοποιούνται, δίνει στα συστήματα λιθίου τη δυνατότητα παραμονής στο ράφι για 5 10 χρόνια χωρίς να χρειάζεται κάποιο ειδικό περιβάλλον για την αποθήκευσή τους. 5.Ικανοποιητική συμπεριφορά επαναφόρτισης Οι μπαταρίες λιθίου απαιτούν φόρτιση σταθερής τάσης/σταθερού ρεύματος (CC/CV) και η συμπεριφορά επαναφόρτισής τους είναι πολύ καλή. Για την επίτευξη επαρκών χρόνων ζωής δεν είναι τόσο σημαντική η πλήρης επαναφόρτιση της μπαταρίας, όπως είναι για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος. Παρόλα αυτά, το όριο της τάσης πρέπει να παρατηρείται με ακρίβεια καθώς η τελική τάση φόρτισης (end of charge voltage) περιορίζεται στα 4.1 V και δεν πρέπει να υπερβαίνεται κατά περισσότερο από 50 mv. Υψηλή τάση προκαλεί το σχηματισμό μεταλλικού λιθίου. Σε στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά, πρέπει να διασφαλίζεται η διατήρηση της τάσης μέσα στα επιτρεπτά όρια για κάθε ένα στοιχείο. Η εκφόρτιση των μπαταριών λιθίου πρέπει να περιορίζεται στην τελική τάση εκφόρτισης του κάθε υλικού. Όπως στη φόρτιση έτσι και εδώ, η υπερεκφόρτιση οδηγεί στο σχηματισμό μεταλλικού λιθίου. Για τον τύπο του κοβαλτίου η τελική τάση εκφόρτισης είναι 2.3 V/στοιχείο και για τον τύπο του μαγγανίου είναι 2.7 V/στοιχείο. 27

29 6.Χωρητικότητα Στις μπαταρίες μολύβδου οξέος, η διαθέσιμη χωρητικότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ρυθμό εκφόρτισης. Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν εμφανίζεται αυτό το πρόβλημα. Στο σχήμα 5 φαίνεται ότι η διαθέσιμη χωρητικότητα δε μειώνεται σημαντικά με την άυξηση του ρυθμού εκφόρτισης. Σχήμα 5 Εξάρτηση διαθέσιμης χωρητικότητας από το ρυθμό εκφόρτισης 7.Φαινόμενο μνήμης Ανεπαρκής φόρτιση Στις μπαταρίες νικελίου καδμίου εμφανίζεται το φαινόμενο μνήμης(memory effect). Αν ένα στοιχείο δεν είναι πλήρως φορτισμένο κάποια στιγμή, φαίνεται να θυμάται τη χαμηλότερη αυτή στάθμη φόρτισης την οποία είχε κατά τη διάρκεια των κύκλων του. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το στοιχείο αυτό δε θα είναι σε θέση να παρέχει επαρκή ισχύ κάτω από αυτή τη στάθμη φόρτισης. Για το λόγο αυτό, τα στοιχεία νικελίου καδμίου χρειάζονται μια πλήρη εκφόρτιση κατά διαστήματα, κάτι το οποίο μπορεί να αποτελέσει σημαντικό πρόβλημα σε ορισμένες εφαρμογές. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος παρουσιάζουν την αντίθετη συμπεριφορά. Αρχίζουν να αποδίδουν λιγότερο αν μένουν σε χαμηλή στάθμη για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η υποφόρτιση καταστρέφει τη μπαταρία μολύβδου οξέος και για αυτό είναι σημαντική η πλήρης επαναφόρτισή της όσο συχνά γίνεται. Αντίθετα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν παρουσιάζουν κανένα από τα παραπάνω προβλήματα. Μπορούν να αποθηκεύονται ή να χρησιμοποιούνται σε οποιαδήποτε στάθμη φόρτισης και μπορούν να επαναφορτίζονται όποτε χρειάζεται. 28

30 Ωστόσο, δε θα πρέπει να παραμένουν σε πολύ υψηλές στάθμες και πολύ υψηλές θερμοκρασίες καθώς αυτό αυξάνει το πάχος του λεπτού φιλμ που καλύπτει τα σωματίδια στα δύο ηλεκτρόδια (solid electrolyte interphase, SEI). Η ιοντική αγωγιμότητα του SEI δεν είναι καλή και η μετακίνηση μέσα από αυτό είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες περιορισμού της ταχύτητας ανταλλαγής των ίοντων Li+. Η αύξηση του SEI επομένως, συνεπάγεται μικρότερη αποδοτικότητα. 8.Συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες Πολλοί τύποι μπαταριών εμφανίζουν κάποια προβλήματα στη ζέστη. Υποβαθμίζονται γρήγορα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και μερικές υπερθερμαίνονται κατά τη φόρτιση ή την εκφόρτιση, κυρίως πρός το τέλος της φόρτισης όπου μπορεί να χρειάζεται ψύξη. Τα στοιχεία ιόντων λιθίου είναι πολύ αποδοτικά και δεν θερμαίνονται τόσο πολύ. Δεν υπάρχουν παράπλευρες αντιδράσεις και έτσι δε θερμαίνονται σχεδόν καθόλου κατά το τέλος της φόρτισης. Στην πραγματικότητα, αυτό που συμβαίνει είναι ότι δροσίζονται ελαφρώς κατά τη φόρτιση.[8] Στο σχήμα 6 αποτυπώνεται η σχετικά μικρή επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. 55⁰C σε σχέση με την εκφόρτιση σε θερμοκρασία δωματίου, π.χ. 20⁰C) στην τάση του κελιού της μπαταρίας. Σχήμα 6 Εκφόρτιση μπαταρίας ιόντων λιθίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες 9.Αντοχή σε χαμηλές θερμοκρασίες Οι μπαταρίες που οι ηλεκτρολύτες τους έχουν ως βάση το νερό μπορεί να παγώσουν και η θήκη τους μπορεί να σπάσει σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό είναι ένα πολύ γνωστό πρόβλημα για τις πλήρως εκφορτισμένες μπαταρίες μολύβδου οξέος με χαμηλή συγκέντρωση ηλεκτρολύτη. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν παρουσιάζουν αυτό το πρόβλημα καθώς το οργανικό διάλυμα στα στοιχεία τους δεν παγώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες. 29

31 10.Δεν υφίστανται αεριοποίηση Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος τείνουν να παράγουν αέρια υδρογόνου κατά το τέλος της φόρτισης. Το υδρογόνο είναι εκρηκτικό ακόμα και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις και αυτός είναι ο λόγος που υπάρχουν πολλοί κανονισμοί για τον εξαερισμό και την προστασία από εκρήξεις όταν χρησιμοποιούμε μπαταρίες μολύβδου οξέος. Τα στοιχεία ιόντων λιθίου είναι σφραγισμένα και δεν υπάρχει αεριοποίηση και επομένως δεν υπάρχει κίνδυνος εκρήξεων. 11.Ευαισθησία σε δυσμενείς συνθήκες Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου είναι ανθεκτικές σε συνθήκες υπερφόρτισης και βαθειάς εκφόρτισης. Ανάλογα με το επίπεδο και τη διάρκεια των φαινομένων αυτών, μπορεί να μην υποστούν σημαντική φθορά. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι κάπως πιο ευαίσθητες σε δυσμενείς συνθήκες. Η κακομεταχείρισή τους μπορεί να προκαλέσει επικίνδυνες καταστάσεις όπως η πυρκαγιά. 12.Καλή λειτουργία σε συνθήκες υψηλής πίεσης Οι μπαταρίες λιθίου πολυμερούς είναι πλήρως σφραγισμένες και δεν περιέχουν συμπιεστό όγκο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάτω από συνθήκες πολύ υψηλής πίεσης χωρίς να εμφανίσουν απώλεια χωρητικότητας.[9] 3.5 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου Τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου, έναντι των υπολοίπων,παρατίθενται επιγραμματικά στον παρακάτω Πίνακα Α(αρκετά από αυτά αναλύθηκαν εκτενώς στην προηγούμενη ενότητα):[6],[10],[11] Η υψηλή ειδική ενέργεια ( 150 Wh/kg) και ενεργειακή πυκνότητα ( 400 Wh/L) καθιστά τις μπαταρίες ιόντων λιθίου ελκυστικές για εφαρμογές ευαίσθητες σε βάρος ή όγκο. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν ένα χαμηλό ρυθμό αυτοεκφόρτισης (2% με 8% ανά μήνα), μεγάλη διάρκεια ζωής, και ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας (φόρτιση σε 20οC ως 60οC, εκφόρτιση σε 40οC ως 65οC), χαρακτηριστικά που καθιστούν δυνατή τη χρήση τους σε ένα πλήθος εφαρμογών. Μια ποικιλία μεγεθών και σχημάτων διατίθενται από ένα πλήθος κατασκευαστών. Τα μεμονωμένα στοιχεία λειτουργούν συνήθως σε τάσεις από 2.5 έως 4.2 V, περίπου 3 φορές αυτή των μπαταριών νικελίου καδμίου και επομένως απαιτούνται λιγότερα στοιχεία για μια μπαταρία δεδομένης τάσης. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν την ικανότητα υψηλών ρυθμών φόρτισης εκφόρτισης. Έχει αποδειχθεί ότι μπορούν να υποστούν εκφόρτιση σε συνεχόμενο 5C ή 25C παλμικό[6]. Ένα μειονέκτημα των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι ότι υποβαθμίζονται όταν εκφορτίζονται σε τάση μικρότερη των 2V και μπορεί να παρουσιάσουν εξαερισμό κατά την υπερφόρτιση,καθώς δεν έχουν ένα χημικό μηχανισμό διαχείρισης της υπερφόρτισης. Συνήθως, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου συνοδεύονται από ένα κύκλωμα διαχείρισης και συσκευές μηχανικής αποσύνδεσης για την 30

32 παροχή προστασίας σε συνθήκες υπερφόρτισης, υπερεκφόρτισης ή πολύ υψηλής θερμοκρασίας. Άλλο ένα μειονέκτημα των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι η μόνιμη απώλεια χωρητικότητας σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (65 ο C), σε μικρότερους ρυθμούς, ωστόσο, από τις περισσότερες μπαταρίες άλλων τύπων. Συγκριτικά με τις νικελίου καδμίου, έχουν το μειονέκτημα ότι είναι λιγότερο ανεκτικές σε λειτουργίες με υψηλά ρεύματα, κάτι το οποίο καθιστά την εκφόρτιση σε υψηλά ρεύματα εμφανώς δυσκολότερη. Ακόμη, μέχρι πρόσφατα υπήρχε το πρόβλημα ότι δεν μπορούσαν να επιτύχουν τον ίδιο κύκλο ζωής με τις μπαταρίες νικελίου καδμίου. Παρόλα αυτά, τα τελευταία χρόνια έχουν επιτευχθεί σημαντικά βήματα όσον αφορά τη βελτίωση της συμπεριφοράς και τους και για τις δύο περιπτώσεις. Πίνακας Α Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου 31

33 3.6 Επιδόσεις μπαταριών ιόντων λιθίου Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου της αγοράς μπορούν να διαφημίζονται ως: μεγάλης διάρκειας ζωής(long Life), υψηλής χωρητικότητας(high Capacity), μεγάλης ενέργειας (Heavy Duty), μεγάλου κύκλου(deep Cycle), γρήγορης φόρτισης(fast Charge) και με άλλες συγκεχυμένες παραμέτρους, ωστόσο υπάρχουν ελάχιστα βιομηχανικά ή νομικά πρότυπα που να ορίζουν ακριβώς τι σημαίνει ο καθένας απ αυτούς.οι λέξεις της διαφήμισης μπορούν να σημαίνουν ότι ο πωλητήςδιαφημιστής θέλει να σημαίνουν. Εκτός από το βασικό σχεδιασμό της μπαταρίας, η απόδοσή της εξαρτάται πραγματικά από το πώς χρησιμοποιούνται οι μπαταρίες, καθώς επίσης και από τις περιβαλλοντικές συνθήκες υπό τις οποίες χρησιμοποιούνται, ωστόσο αυτές οι συνθήκες είναι σπάνια, αν όχι ποτέ, αυστηρά καθορισμένες στη διαφήμιση μαζικής αγοράς. Για τον καταναλωτή, αυτές οι πληροφορίες μπορεί να είναι πολύ συγκεχυμένες ή ακόμα και παραπλανητικές. Παρόλα αυτά, η ίδια η βιομηχανία μπαταριών δεν χρησιμοποιεί τέτοιους ασαφείς όρους για να καθορίσει την απόδοση της μπαταρίας και οι προδιαγραφές περιλαμβάνουν συνήθως μια δήλωση καθορισμού των χαρακτηριστικών της ή τον περιορισμό των λειτουργικών και περιβαλλοντικών συνθηκών,υπό τις οποίες μπορεί να εκδοθεί ένας ισχυρισμός περί επιδόσεων.[12] Τα γενικά χαρακτηριστικά των επιδόσεων των μπαταριών ιόντων λιθίου συνοψίζονται στον πίνακα Β. Πίνακας Β Γενικα χαρακτηριστικά των επιδόσεων των μπαταριών ιόντων λιθίου 32