Lithium--ionbatterijcellen: definities, classificatie, werkingsprincipes en toepassingen in energieopslag en fotovoltaïsche zonne-energie

Tegen de achtergrond van de snelle adoptie van nieuwe energieopslag, fotovoltaïsche energieopwekking, elektrische voertuigen en draagbare elektronische apparaten, zijn lithiumbatterijen het meest gebruikte medium voor elektrochemische energieopslag geworden. Hoewel de term in de volksmond vaak wordt gebruikt als een verzamelnaam voor verschillende op lithium- gebaseerde producten, omvatten 'lithiumbatterijen' vanuit technisch oogpunt twee verschillende categorieën, -primaire lithiumbatterijen en lithium-ionbatterijen-, die aanzienlijk verschillen wat betreft prestaties, kenmerken en toepassingsscenario's. Lithium--ionbatterijen, die zich onderscheiden door hun vermogen om herhaaldelijk te worden opgeladen-ontlaadcycli en hun hoge energiedichtheid, zijn de mainstream keuze geworden voor zowel consumenten- als industriële toepassingen.

 

In strikte zin verwijzen lithiumbatterijen met 'Flash Battery' specifiek naar primaire lithiumbatterijen-niet-oplaadbare cellen voor eenmalig- gebruik. Hun structuur maakt doorgaans gebruik van lithiummetaal of lithiumlegeringen voor de elektroden, gecombineerd met een niet-waterige elektrolytoplossing. Conventionele primaire lithiumbatterijen gebruiken mangaandioxide als kathode en puur lithiummetaal als anode, wat resulteert in een hoge chemische reactiviteit. Door gebruik te maken van de hoge energie-eigenschappen van de primaire lithiumchemie, zijn deze batterijen geschikt voor specifieke toepassingen die een nauwkeurige vermogensafgifte vereisen in scenario's voor eenmalig gebruik-; vanwege hun materiaaleigenschappen kunnen ze echter niet worden hergebruikt.

 

 

De zeer reactieve chemische aard van metallisch lithium is de belangrijkste factor geweest die de wijdverbreide acceptatie van traditionele primaire lithiumbatterijen heeft beperkt. Zuiver metallisch lithium stelt extreem strenge eisen met betrekking tot productie, opslagomstandigheden en operationele omgevingen; het reageert gemakkelijk met lucht en vocht, wat veiligheidsrisico's met zich meebrengt die de grootschalige industrialisatie van wegwerpbare lithiumbatterijen lange tijd hebben belemmerd. Daarentegen hebben oplaadbare lithium-ionbatterijcellen deze technologische knelpunten fundamenteel overwonnen, waardoor recycleerbaarheid mogelijk is en het nieuwe tijdperk van op lithium-gebaseerde energie is ingeluid.

 

De oplaadbare lithiumbatterijen die momenteel op grote schaal worden gebruikt, vertegenwoordigen de ontwikkelde standaard in de industrie. Ze werken via de intercalatie en de-intercalatie (migratie) van lithiumionen tussen de kathode en de anode tijdens laad- en ontlaadcycli; aangezien puur metallisch lithium niet bij de reactie betrokken is, worden de veiligheid en stabiliteit aanzienlijk verbeterd. Deze oplaadbare batterijen voeden een breed scala aan toepassingen, variërend van consumentenelektronica en industriële apparatuur tot nieuwe energievoertuigen.

 

Tientallen jaren van technologische evolutie hebben geleid tot de ontwikkeling van verschillende gangbare kathodemateriaalsystemen voor lithium-ionbatterijen om aan verschillende operationele behoeften te voldoen; met name lithiumijzerfosfaat (LFP) is naar voren gekomen als kernmateriaal voor industriële energieopslag. Gebruikelijke kathodematerialen omvatten lithiumkobaltoxide, lithiummangaanoxide, lithiumnikkeloxide en lithiumijzerfosfaat; de materiaalkeuze bepaalt de veiligheid, levensduur en energiedichtheid van de batterij. Dankzij hun superieure veiligheid en uitzonderlijk lange levensduur zijn LFP-cellen de voorkeurskeuze geworden voor energieopslag- en aandrijfkrachttoepassingen.

 

Lithium--ionbatterijen worden op basis van hun elektrolytstatus onderverdeeld in vloeibare-elektrolyt- en polymeer-elektrolyttypen. Vloeibare-elektrolytbatterijen maken gebruik van een vloeibare elektrolyt; ze beschikken over volwassen technologie en beheersbare kosten, waardoor ze de reguliere keuze zijn voor accu's voor nieuwe energievoertuigen. Polymeer-elektrolytbatterijen maken gebruik van een droge of gel-vaste polymeerelektrolyt, wat een dunnere, lichtere vormfactor en verbeterde veiligheid biedt. LFP-cellen combineren de lithium-ijzerfosfaatchemie met volwassen productieprocessen, waarbij prestaties en kosten in evenwicht worden gebracht voor verschillende toepassingen met hoog-vermogen.

 

Op de markt gebracht in 1992 hebben lithium-ionbatterijen-met voordelen zoals hoge energiedichtheid, de afwezigheid van geheugeneffect en lage zelf-ontladingssnelheden-de traditionele lood-zuuraccu's en primaire lithiumbatterijen van de vroege- generatie volledig verdrongen. Vergeleken met traditionele batterijen ondersteunt deze herhaaldelijk opladen-ontlaadcycli en biedt hij een aanzienlijk langere levensduur, waardoor hij geschikt is voor scenario's die langdurig- continu gebruik vereisen. De batterij-energieopslagindustrie heeft de grootschalige, routinematige inzet van energieopslagcentrales gerealiseerd.