Bateri litium-ion

Daripada Wikipedia, ensiklopedia bebas.
Lompat ke: pandu arah, cari
Bateri litium-ion
Nokia Battery.jpg
Bateri Li-ion bagi telefon bimbit Nokia
Tenaga tertentu

100–265 W·h/kg[1][2]

(0.36–0.95 MJ/kg)
Ketumpatan tenaga

250–730 W·h/L[2]

(0.90–2.23 MJ/L)
Kuasa tertentu ~250-~340 W/kg[1]
Kecekapan cas/nyahcas 80–90%[3]
Tenaga/harga pengguna 2.5 W·h/AS$
Kadar nyahcas diri 8% pada 21 °C
15% pada 40 °C
31% pada 60 °C
(sebulan)[4]
Kelasakan kitaran

400–1200 kitaran

[5]
Voltan sel nominal NMC 3.6 / 3.7 V, LiFePO4 3.2 V

Bateri litium-ion (kadang-kadang bateri Li-ion atau LIB) adalah salah satu ahli keluarga jenis bateri cas semula yang mana ion litium bergerak dari anod ke katod semasa proses nyahcas dan kembali ke kedudukan asal semasa dicas. Bateri Li-ion menggunakan sebatian litium yang disisipkan sebagai bahan elektrod, berbanding logam litium yang digunakan dalam bateri litium tidak boleh cas semula.

Bateri litium-ion lazimnya digunakan dalam peralatan elektronik pengguna. Ia merupakan salah satu daripada jenis bateri cas semula paling popular bagi peranti elektronik mudah alih, serta mempunyai ketumpatan tenaga antara yang terbaik, tiada kesan ingatan (walau bagaimanapun, sila ambil perhatian bahawa sesetengah kajian menunjukkan beberapa petanda kesan ingatan pada bateri litium-ion[6]), dan hanya menunjukkan kadar kehilangan cas yang perlahan apabila tidak digunakan. Selain peralatan elektronik pengguna, bateri Li-ion juga semakin popular dalam bidang ketenteraan, kenderaan elektrik dan aplikasi aeroangkasa.[7] Misalnya, bateri litium-ion mula menjadi bateri pengganti yang lazim bagi bateri asid-plumbum yang digunakan sejak berzaman lagi pada kereta golf dan kenderaan utiliti. Daripada menggunakan plat plumbum yang berat serta elektrolit berasid, trend sekarang ialah menggunakan anod litium/karbon yang ringan dan katod litium besi fosfat. Bateri litium-ion boleh menghasilkan voltan yang sama seperti bateri asid-plumbum, maka tiada pengubahsuaian diperlukan bagi sistem pacuan kenderaan.[8]

Perwatakan kimia, prestasi, kos dan keselamatan adalah berbeza mengikut jenis bateri Li-ion. Peralatan elektronik tangan kebanyakannya menggunakan bateri Li-ion berasaskan litium kobalt oksida (LiCoO2), yang menawarkan ketumpatan tenaga yang tinggi, tetapi mendatangkan risiko keselamatan, terutamanya apabila rosak. Litium besi fosfat (LFP), litium mangan oksida (LMO) dan litium nikel mangan kobalt oksida (NMC) menawarkan ketumpatan tenaga lebih rendah, tetapi mempunyai jangka hayat lebih panjang serta lebih selamat. Bateri sebegitu digunakan secara meluas dalam peralatan elektrik, peralatan perubatan serta peranan-peranan lain. NMC terutamanya merupakan petanding yang mendahului dalam aplikasi automotif. Litium nikel kobalt aluminium oksida (NCA) dan litium titanat (LTO) merupakan rekaan khusus yang disasarkan pada peranan niche khas.

Bateri litium-ion boleh jadi berbahaya dalam keadaan tertentu dan boleh membawa bahaya keselamatan, memandangkan ia mengandungi elektrolit mudah terbakar serta disimpan dalam tekanan, tidak seperti bateri cas semula yang lain. Ia menjadikan standard bagi bateri tersebut sangat tinggi, serta ia mempunyai banyak ciri keselamatan. Terdapat banyak kes kemalangan yang dilaporkan di samping panggilan semula oleh beberapa syarikat.

Binaan[sunting | sunting sumber]

Sel litium besi fosfat 18650 berbentuk silinder sebelum ditutup.

Tiga komponen berfungsi utama bagi bateri litium-ion ialah anod, katod dan elektrolit. Secara amnya, anod bagi sel litium-ion konvensional diperbuat daripada karbon. Katodnya pula ialah logam oksida, dan elektrolitnya pula ialah garam litium di dalam pelarut organik.[9] Peranan elektrokimia bagi setiap elektrod saling bertukar antara anod dan katod, bergantung kepada arah aliran arus melalui sel.

Anod komersial paling popular ialah grafit. Katodnya pula secara amnya adalah salah satu daripada tiga bahan tersebut: oksida berlapis (seperti litium kobalt oksida), polianion (seperti litium besi fosfat) atau spinel (seperti litium mangan oksida).[10]

Elektrolitnya pula secara lazimnya merupakan campuran karbonat organik seperti etilena karbonat atau dietil karbonat yang mengandungi kompleks bagi ion litium.[11] Elektrolit bukan akueus ini secara amnya menggunakan garam anion bukan koordinat seperti litium heksafluorofosfat (LiPF6), litium heksafluoroarsenat monohidrat (LiAsF6), litium perklorat (LiClO4), litium tetrafluoroborat (LiBF4) dan litium triflat (LiCF3SO3).

Bergantung kepada pemilihan bahan, voltan, ketumpatan tenaga, jangka hayat dan tahap keselamatan bateri litium-ion boleh berubah secara dramatik. Baru-baru ini, seni bina novel menggunakan teknologi nano mula diterapkan bagi menambah baik prestasinya.

Litium tulen adalah sangat reaktif. Ia bertindak balas secara cergas dengan air bagi membentuk litium hidroksida dan gas hidrogen. Maka, elektrolit bukan akueus lazimnya digunakan, dan bekas bertutup mengasingkan sebarang kelembapan daripada pek bateri.

Bateri litium-ion adalah lebih mahal daripada bateri NiCd tetapi mampu beroperasi pada lingkungan suhu yang lebih meluas dengan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Ia memerlukan satu litar perlindungan bagi mengehadkan voltan puncak.

Bagi komputer riba, sel-sel litium-ion dibekalkan sebagai sebahagian daripada pek bateri dengan pengesan suhu, litar penukar/pengawal voltan, pili voltan, pemantau keadaan cas bateri dan penyambung utama. Kesemua komponen tersebut memantau keadaan cas serta keluar masuk arus bagi setiap sel, kapasiti bagi setiap sel individu (perubahan drastik boleh membawa kepada kekutuban terbalik yang membahayakan),[12] suhu bagi setiap sel dan meminimakan risiko litar pintas.[13]

Format[sunting | sunting sumber]

Pek bateri litium-ion Nissan Leaf.

Sel-sel Li-ion boleh didapati dalam pelbagai faktor bentuk , yang secara amnya terbahagi kepada empat kumpulan:[14]Templat:Full

  • Silinder kecil (badan pejal tanpa terminal, seperti bateri komputer riba)
  • Silinder besar (badan pejal dengan terminal berbenang)
  • Kantung (badan lembut dan leper, seperti bateri telefon bimbit)
  • Prismatik (bekas plastik separa keras dengan terminal berbenang besar, seperti pek pacuan kenderaan)

Ketiadaan bekas menjadikan sel kantung mempunyai ketumpatan tenaga tertinggi; walau bagaimanapun, sel kantung (dan sel prismatik) memerluakan bekas luaran bagi mencegah pengembangan bateri apabila keadaan casnya tinggi.[15]

Elektrokimia[sunting | sunting sumber]

Tiga peserta dalam tindak balas elektrokimia di dalam bateri litium-ion ialah anod, katod dan elektrolit.

Kedua-dua elektrod membenarkan ion-ion litium berpindah antara satu sama lain. Semasa masukan (atau interkalasi) ion-ion bergerak ke dalam elektrod. Semasa proses lawannya, pengekstrakan (atau nyahinterkalasi), ion-ion bergerak keluar. Semasa sel berasaskan litium sedang nyahcas, ion positif diekstrak dari elektrod negatif (biasanya grafit) dan dimasukkan ke dalam elektrod positif (sebatian mengandungi litium). Semasa bateri mengecas, keadaan yang sebaliknya berlaku.

Kerja berguna diekstrakkan apabila elektron mengalir melalui litar luaran tertutup. Persamaan berikut menunjukkan satu contoh tindak balas kimia, dalam unit mol, membolehkan pemalar n digunakan.

Tindak balas separa bagi elektrod positif ialah:[16]

\mathrm{LiCoO_2} \leftrightarrows \mathrm{Li}_{1-n}\mathrm{CoO_2} + n\mathrm{Li^+} + n\mathrm{e^-}

Tindak balas separa bagi elektrod negatif ialah:

n\mathrm{Li^+} + n\mathrm{e^-} + \mathrm{C} \leftrightarrows \mathrm{Li_nC}

Tindak balas keseluruhan mempunyai hadnya yang tersendiri. Mengecas bateri secara berlebihan melampautepukan litium kobalt oksida, membawa kepada penghasilan litium oksida,[17] melalui tidak balas tidak berbalik berikut:

\mathrm{Li^+} + \mathrm{e^-} + \mathrm{LiCoO_2} \rightarrow \mathrm{Li_2O} + \mathrm{CoO}

Mengecas lampau sehingga 5.2 volt membawa kepada sintesis kobalt (IV) oksida, seperti yang dibuktikan oleh pembelauan sinar-x:[18]

 \mathrm{LiCoO_2} \rightarrow \mathrm{Li^+} + \mathrm{CoO_2} +\mathrm{e^-}

Di dalam bateri litium-ion, ion-ion litium diangkut kepada dan daripada katod atau anod dengan mengoksidakan logam peralihan, kobalt (Co), dalam LixCoO2 daripada Co3+ kepada Co4+ semasa mengecas, dan diturunkan daripada Co4+ kepada Co3+ semasa mengecas.

Tenaga sel bersamaan dengan hasil darab voltan dengan cas. Setiap gram litium mewakili pemalar Faraday/6.941 atau 13,901 coulomb. Pada 3 V, ia memberikan 41.7 kJ setiap gram litium, atau 11.6 kWj setiap kg. Ia lebih sedikit daripada haba pembakaran petrol, tetapi tidak mengambil kira bahan-bahan lain yang termasuk di dalam bateri litium dan ia menjadikan bateri litium beberapa kali ganda lebih berat berbanding unit tenaga.

Elektrolit[sunting | sunting sumber]

Voltan sel yand diberi dalam bahagian Elektrokimia adalah lebih besar daripada keupayaan yang mana larutan akueus akan terelektrolisis. Memandangkan sifat logam litium yang sangat reaktif terhadap air, larutan bukan akueus atau aprotik digunakan.

Elektrolit cecair dalam bateri litium-ion terdiri daripada garam litium, seperti LiPF6, LiBF4 atau LiClO4 di dalam pelarut organik, seperti ethilena karbonat, dimetil karbonat, dan dietil karbonat. Elektrolit cecair bertindak sebagai pembawa antara katod dan anod semasa arus mengalir melalui litar luaran. Kadar kekonduktivitian lazim bagi elektrolit cecair pada suhu bilik (20 °C (68 °F)) adalah dalam lingkungan 10 mS/cm (1 S/m), meningkat pada kadar lebih kurang 30–40% pada 40 °C (104 °F) dan menurun sedikit pada 0 °C (32 °F)[19]

Pelarut organik mudah terurai pada anod semasa dicas. Walau bagaimanapun, apabila pelarut organik yang bersesuaian digunakan sebagai elektrolit, pelarut tersebut terurai semasa pengecasan awal dan membentuk satu lapisan pepejal dipanggil interfasa elektrolit pepejal (SEI),[20] yang menebat secara elektrikal tetapi masih menyediakan kekonduktivitian ionik. Interfasa tersebut menghalang penguraian elektrolit selepas pengecasan kedua. Misalnya, etilena karbonat terurai pada voltan yang secara relatifnya tinggi, 0.7 V berbanding litium, dan membentuk antara muka yang tumpat dan stabil.[21]

Elektrolit komposit berasaskan POE (poli(oksietilena)) yang dibangunkan oleh Syzdek et al., menyediakan antara muka yang secara relatifnya stabil.[22][23] Ia boleh jadi sama ada pepejal (berat molekul tinggi) dan digunakan pada sel Li-polimer kering, atau cecair (berat molekul rendah) dan digunakan pada sel Li-ion biasa.

Cecair ionik suhu bilik (RTIL) adalah satu lagi pendekatan bagi mengehadkan kebolehbakaran dan kemeruapan elektrolit organik.[24]

Cas dan nyahcas[sunting | sunting sumber]

Semasa mengecas, ion-ion litium Li+ membawa arus dari elektrod negatif ke positif, melalui elektrolit bukan akueus dan diafragma pemisah.[25]

Semasa mengecas, punca kuasa elektrik luaran (litar pengecas) mengenakan voltan berlebihan (voltan lebih tinggi tetapi sama kekutuban) daripada yang dihasilkan oleh bateri, memaksa arus untuk melalui arah bertentangan. Ion-ion litium kemudiannya berpindah dari elektrol positif ke negatif, di mana ion-ion tersebut terbenam di dalam bahan elektrod poros dalam proses yang dikenali sebagai interkalasi.

Prosedur mengecas[sunting | sunting sumber]

Prosedur mengecas bagi sel Li-ion tunggal, dan bateri Li-ion berbilang sel, adalah berbeza sedikit.

  • Sel tunggal Li-ion dicas dalam dua peringkat:[12]
  1. CC
  2. CV
  • Bateri Li-ion berbilang sel pula dicas dalam tiga peringkat:
  1. CC
  2. Penyeimbangan (tidak diperlukan sebaik bateri sudah seimbang)
  3. CV

CC: Mengenakan arus pengecasan terhadap bateri, sehinggalah had voltan bagi setiap sel dicapai.

Penyeimbangan: Mengurangkan arus pengecasan (atau mengitar pengecasan hidup dan padam bagi mengurangkan arus purata) sementara keadaan cas bagi sel-sel individu dibawa ke satu tahap yang sama oleh litar penyeimbang, sehinggalah nbateri sudah seimbang. Sesetengah pengecas pantas melangkau peringkat ini. Sesetengah pengecas memperoleh penyeimbangan dengan mengecas setiap sel secara berasingan.

CV: Mengenakan voltan bersamaan dengan voltan sel maksimum didarab dengan bilangan sel sesiri kepada bateri, memandangkan arus semakin merosot secara beransur-ansur menghampiri 0, sehingga arus lebih rendah daripada ambang yang ditetapkan iaitu lebih kurang 3% daripada arus cas malar.

Pengecasan tambahan berkala dilakukan setiap 500 jam. Pengecasan puncak disyorkan untuk dilakukan apabila voltan berada di bawah 4.05 V/cell.

Bateri litium-ion dicas pada voltan lebih kurang 4.2 ± 0.05 V/sel kecuali bateri "tentera jangka hayat panjang" yang menggunakan 3.92 V bagi melanjutkan usia bateri. Kebanyakan litar perlindungan memotong bekalan apabila voltan melebihi 4.3 V atau suhu melebihi 90 °C dicapai. Voltan bawah 2.50 V/sel menyebabkan litar perlindungan bateri menganggap bateri tersebut tidak boleh dicas semula menggunakan peralatan mengecas biasa. Kebanyakan litar bateri berhenti berfungsi pada 2.7–3.0 V/sel.

Kegagalan mematuhi limitasi arus dan voltan boleh menyebabkan letupan.[26]

Lihat juga[sunting | sunting sumber]

Rujukan[sunting | sunting sumber]

  1. 1.0 1.1 "Rechargeable Li-Ion OEM Battery Products". Panasonic.com. Diarkibkan dari yang asal pada April 13, 2010. http://www.panasonic.com/industrial/batteries-oem/oem/lithium-ion.aspx. Capaian 23 April 2010. 
  2. 2.0 2.1 "Panasonic Develops New Higher-Capacity 18650 Li-Ion Cells; Application of Silicon-based Alloy in Anode". greencarcongress.com. http://www.greencarcongress.com/2009/12/panasonic-20091225.html. Capaian 31 January 2011. 
  3. Valøen, Lars Ole and Shoesmith, Mark I. (2007). The effect of PHEV and HEV duty cycles on battery and battery pack performance (PDF). 2007 Plug-in Highway Electric Vehicle Conference: Proceedings. Retrieved 11 June 2010.
  4. doi:10.1016/S0378-7753(98)00158-X
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  5. Battery Types and Characteristics for HEV ThermoAnalytics, Inc., 2007. Retrieved 11 June 2010.
  6. Tsuyoshi Sasaki, Yoshio Ukyo & Petr Novák (14 April 2013). "Memory effect in a lithium-ion battery". nature.com. http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3623.html. 
  7. Ballon, Massie Santos (14 October 2008). "Electrovaya, Tata Motors to make electric Indica". cleantech.com. Cleantech Group. Diarkibkan daripada yang asal pada 2011-05-09. http://web.archive.org/web/20110509010846/http://www.cleantech.com/news/3694/electrovaya-tata-motors-make-electric-indica. Capaian 11 June 2010. 
  8. "Explain how lithium batteries work in electric golf carts". LithiumBoost. http://www.lithiumboost.com/about.html. Capaian 2013-05-09. 
  9. Silberberg, M. (2006). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, 4th Ed. New York (NY): McGraw-Hill Education. p. 935, ISBN 0077216504.
  10. doi:10.1557/mrs2000.17
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  11. MSDS: National Power Corp Lithium Ion Batteries (PDF). tek.com; Tektronix Inc., 7 May 2004. Retrieved 11 June 2010.
  12. 12.0 12.1 "How to rebuild a Li-Ion battery pack". Electronics Lab. http://www.electronics-lab.com/articles/Li_Ion_reconstruct/index.html. Capaian 6 June 2013. 
  13. "Inside a notebook battery pack". ZDNet. Rupert Goodwins . August 17, 2006. http://www.zdnet.com/inside-a-notebook-battery-pack-3039281143/. Capaian 6 June 2013. 
  14. Andrea 2010, p. 2.
  15. Andrea 2010, p. 234.
  16. (PDF) Lithium Ion technical handbook. Gold Peak Industries Ltd.. November 2003. Diarkibkan daripada yang asal pada 2007-10-07. http://web.archive.org/web/20071007175038/http://www.gpbatteries.com/html/pdf/Li-ion_handbook.pdf. 
  17. doi:10.1021/jp030438w
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  18. doi:10.1149/1.1836594
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  19. Wenige, Niemann, et al. (30 May 1998). Liquid Electrolyte Systems for Advanced Lithium Batteries (PDF). cheric.org; Chemical Engineering Research Information Center(KR). Retrieved 11 June 2010.
  20. Balbuena, P.B., Wang, Y.X. (eds) (2004). Lithium Ion Batteries: Solid Electrolyte Interphase, Imperial College Press, London, ISBN 1860943624.
  21. doi:10.1149/1.2086855
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  22. doi:10.1016/j.jpowsour.2007.05.061
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  23. doi:10.1016/j.electacta.2009.04.025
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  24. doi:10.1016/j.jpowsour.2012.01.003
    Petikan ini akan disiapkan secara automatik dalam beberapa minit. Anda boleh memotong barisan atau mengembangkannya sendiri
  25. David Linden, Thomas B. Reddy (ed) (2002 ). Handbook of Batteries 3rd Edition. McGraw-Hill, New York, chapter 35, ISBN 0-07-135978-8.
  26. "Design Review For: Advanced Electric Vehicle Battery Charger, ECE 445 Senior Design Project". http://courses.ece.illinois.edu/ece445/projects/fall2007/project10_design_review.doc.  090521 courses.ece.illinois.edu

Bibliografi[sunting | sunting sumber]

  • Winter, M.; Brodd, J. (2004). "What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?" (PDF). Chemical Review 104 (104): 4245. doi:10.1021/cr020730k. 

Pautan luar[sunting | sunting sumber]