Fakultet elektrotehnike i raunarstva

Seminar: Osnove spremanja energije

Zlatko Hani

Baterije zasnovane na tehnologijama Litija i Nikla

Fakultet elektrotehnike i raunarstvaZavod za primijenjenu fiziku

Kolegij: Osnove spremanja energije

Nositelj kolegija: Prof. dr. sc. Mile Bae

SEMINAR

BATERIJE ZASNOVANE NA TEHNOLOGIJAMA LITIJA I NIKLA

Autor: Zlatko Hani

Akademska godina proizvodnje

2007./2008.Sadraj31. Uvod u baterije

62. Princip rada baterija

83. Baterije zasnovane na tehnologijama nikla.

83.1. Nikal kadmij (NiCd) baterije

103.2. Nikal metal hidridne (NiMH) baterije

12Punjenje:

13Memory efekt:

144. Litij ionske baterije

17Punjenje

17Ovisnost kapaciteta o temperaturi

18Ovisnost kapaciteta o broju ciklusa punjenje/pranjenje:

185. Litijske primarne baterije

206. Li ionske baterije trenutno stanje razvoja i pogled u budunost

207. Hibridni i elektrini automobili

228. Zakljuak

1. Uvod u baterije

Baterije nam slue kao spremnik elektrine energije. Spremnik elektrine energije ne postoji. Elektrina energija je tranzijentni oblik energije, te se kao takva po definiciji ne moe uskladititi. (Slino kao i mehaniki rad. Ne moemo uskladititi mehaniki rad.) Zato ne smijemo rei da su baterije spremnici elektrine energije, ali moemo rei da nam slue kao spremnici elektrine energije. Moda bi najbolje bilo rei da su baterije realni naponski istosmjerni izvorni elektrine energije.

U baterijama je, naime, pohranjena kemijska energija, a procesi koji se u bateriji dogaaju pretvaraju kemijsku energiju u elektrinu energiju, koja se zatim po volji moe (i mora) pretvoriti u bilo koji drugi oblik energije zbog toga to je elektrina energija eksergija. Moemo bateriju shvatiti kao kemijski reaktor u kojemu se odvijaju kemijske reakcije koje kemijsku energiju prevode u elektrinu.

Ako pak idemo jo dublje, postavljajui si pitanje to je to kemijska energija, doi emo do odgovora da je kemijska energija elektrina potencijalna energija pohranjena na razini atoma i molekula. Ovaj oblik energije je stacionarni i moe se uskladititi.

Baterije openito dijelimo u dvije skupine: primarne i sekundarne. Primarne baterije su one koje, kada se isprazne, ne mogu se ponovno napuniti. Moemo ih jo zvati i ne punjive. U takvim baterijama se dogaaju procesi koji nisu reverzibilni. Primarne baterije povijesno su se najprije razvile. Sekundarne baterije su one koje se mogu ponovno napuniti nakon to su se ispraznile. Moemo ih jo zvati i punjive baterije (eng. rechargeable). U njima se odvijaju procesi koji su reverzibilni. Povijesno su se pojavile nakon primarnih.

Baterije opisuju parametri koji su vezani za elektrine izvore i parametri koji su vezani uz spremnike energije. Opisati emo neke od njih:

Nominalni napon elije.

Baterija se, kao to emo kasnije vidjeti sastoji od jedininih elija koje spajamo u seriju i paralelu. Ovo je parametar koji je vezan uz bateriju kao elektrini naponski izvor. Napon baterije se stalno mijenja i ovisan je temperaturi, trenutnom kapacitetu baterije, starosti baterije i mnogim drugim parametrima. Nominalni napon baterije bio bi neki prosjeni napon za vrijeme rada baterije. U pravilu elimo da nam ovaj parametar bude to vei zbog toga jer sukladno sa poveanjem ovoga parametra raste i gustoa energije baterije. Izbor ovog parametra jako ovisi o primjeni. Npr. ako elimo napajati nekakvu elektroniku, onda naponi napajanja mogu biti dosta mali reda veliine 1 V, pa ako imamo bateriju od npr. 3V imati emo problema sa sniavanjem napona na 1 V. Ako se radi o elektromotornom pogonu, onda bi nam idealno bilo da imamo napone od nekoliko desetaka do nekoliko stotina volti. U ovom sluaju ne bi bilo dobro da koristimo baterije malog jedininog napona elije jer bi ih morali mnogo spojiti u seriju da dobijemo odgovarajui napon.

Nominalna i maksimalna struja baterije.

Ovo je takoer parametar koji karakterizira bateriju kao izvor elektrine energije. Nominalna struja baterije je maksimalna struja koju baterija moe davati cijelo vrijeme dok se ne isprazni bez oteenja. Maksimalna struja je maksimalna vrijednost struje koju baterija moe dati kratkotrajno bez da se oteti. Za ove parametre elimo da budu to vei.

Unutarnja impedancija.

Ovo je takoer parametar koji opisuje bateriju kao elektrini izvor. Poto su baterije realni naponski izvori, oni posjeduju unutranje impedancije. Unutranja impedancija ograniava struju kratkog spoja baterije i smanjuje pad napona koji imamo na stezaljkama baterije. elimo da nam ovaj parametar bude to manji.

Kapacitet.

Kapacitet nam govori koliko naboja imamo pohranjeno u bateriji. Mjeri se u amper-satima (Ah). Ovaj parametar moemo svrstati u parametre koji opisuju elektrine izvore i spremnike energije. Obino se kapacitet baterije oznaava sa C. (Ako baterija ima kapacitet 1000 mAh, to je kapacitet 1C, ali isto tako ako neka druga batrija ima kapacitet 3700 mAh njen kapacitet je isto 1C). Puni kapacitet bilo koje baterije oznaavamo s 1C. Isto tako i struju moemo izraavati u C jedinicama. Tako npr. struja od 1C e bateriju isprazniti u 1 sat. Struja od 0.5 C e bateriju isprazniti u 2 sata. Openito struja od x C e bateriju isprazniti u 1/x sati. Naravno, elimo da nam ovaj parametar bude to vei.

Gustoa energije.

Ovaj parametar karakterizira spremnike energije. On nam govori koliko energije moemo pohraniti po jedinici mase ili volumena spremnika energije. Obino se parametar koji nam govori koliko energije moemo pohraniti po jedinici mase spremnika energije zove specifina energija i mjeri se u dulima po kilogramu (J/kg), dok se parametar koji govori koliko energije moemo pohraniti po jedinici volumena spremnika energije zove gustoa energije i mjeri se u dulima po metru kubnom (J/m3). Za ove parametre elimo da budu to vei.

Gustoa snage.

Ovaj parametar takoer karakterizira spremnike energije. On nam govori koliko snage moemo dobiti po jedinici mase ili volumena spremnika energije. Obino se parametar koji nam govori koliko snage moemo dobiti po jedinici mase spremnika energije zove specifina snaga i mjeri se u vatima po kilogramu (W/kg), dok se parametar koji govori koliko snage moemo pohraniti po jedinici volumena spremnika energije zove gustoa energije i mjeri se u vatima po metru kubnom (W/m3). Za ove parametre elimo da budu to vei.

Samopranjenje.

Ovaj parametar posjeduju spremnici energije. Ako baterija stoji bez vanjskog optereenja ona e se svejedno prazniti. Ovaj parametar opisuje koliko se baterija prazni dok je neoptereena. Jedinica u kojoj se ovaj parametar izraava u SI sustavu bi bila posto po sekundi (%/s), ali je prikladnija jedinica u praksi % po mjesecu (%/mj). Ovaj parametar elimo da bude to manji.

Temperaturni opseg rada.

Temperaturni opseg rada je opseg temperatura u kojem baterija moe raditi bez kvarova. Naime, temperaturno podruje rada baterija je ogranieno odozdo zbog toga to se na niskim temperaturama kapacitet smanjuje, pa na nekoj donjoj graninoj temperaturi imamo nekakvi najmanji kapacitet s kojim baterija moe normalno raditi. S druge strane temperaturno podruje rada je ogranieno odozgo sa gornjom graninom temperaturom pri kojoj baterija moe normalno raditi. Na visokim temperaturama baterije mogu eksplodirati, a efekt koji to opisuje zove se temperaturni (ili termalni) pobjeg. O njemu emo rei neto uskoro. Ovaj parametar mjerimo u jedinicama u kojima mjerimo temperaturu, a elimo da bude to vei.

Rok trajanja.

Moramo razlikovati rok trajanja koji poinje od trenutka proizvodnje (eng. shelf life) od roka trajanja koji se poinje mjeriti od trenutka kada ponemo koristiti bateriju. Ovi parametri mjere se u jedinici kojoj mjerimo vrijeme. U praksi su to najee mjeseci. elimo da nam ovi parametri budu to je mogue vei.

Broj ciklusa u roku trajanja.

Jedan ciklus punjenje pranjenje podrazumijeva da bateriju ispraznimo do kraja, a zatim ju napunimo do kraja. Ovo je bezdimenzionalna veliina i moe poprimiti samo cjelobrojne vrijednosti. elimo da bude ovaj parametar bude to vei.

Memory efekt.

Ovo je parametar koji se pojavljuje kod baterije tipa NiCd, NiFe, NiMH. Ako bateriju ne ispraznimo do kraja, i zatim je napunimo do vrha, te zatim nekoliko puta ponovimo ovaj postupak, baterija e zapamtiti kao da je prazna na onoj razini od kud smo je poeli puniti. (Npr. desetak puta nadopunjavamo bateriju koja ima u sebi jo pola kapaciteta. Baterija e, kao da zapamtiti da bi trebala biti prazna kada dosegne pola kapaciteta u toku pranjenja iako ona zapravo nee biti prazna.) Postoje neke prie koje krue meu inenjerima da ukoliko baterija oboli od memory efekta, da bi ju trebalo nekoliko puta brzo isprazniti do kraja i zatim napuniti do vrha, te da bi se na taj nain baterija oporavila od memory efekta. Ove metode nisu 100% sigurne, a ak su i opasne. Stoga kolege koje ikada proitaju ovaj dokument molim za oprez. Naravno, ovo je negativan parametar i ne elimo da ga baterija posjeduje.

Temperaturni (ili termalni) pobjeg.

Pojavljuje se kod Li-ionskih baterija. Pri visokim temperaturama baterije dobiju pozitivni temperaturni koeficijent. Reakcije u bateriji povisuju temperaturu baterije koja jo dodatno pojaava reakcije koje opet dodatno povisuju temperaturu itd. Ovo dovodi do unitenja baterije koje rezultira eksplozijom i zapaljenjem. Ovaj efekt je bila prepreka komercijalizaciji Li-ionskih baterija. Ovo je takoer negativan efekt i ne elimo da ga baterija posjeduje.

Korisnost punjenje/pranjenje.

Ovdje se misli na kulonsku korisnost. Tj. koliko od amper-sati kojima smo napunili bateriju moemo iskoristi i dobiti nazad prilikom pranjenja. Oito je da ovaj parametar posjeduju samo sekundarne baterije. Moramo razlikovati energetsku korisnost punjenja/pranjenja od ove. Ovo je bezdimenzionalna veliina i moe poprimiti realne vrijednosti u intervalu od 0 do 1. Obino se izraava u postotcima. elimo da ovaj parametar bude to vei, tj. to blii jedinici. Idealno bi bilo da on iznosi 1 (odnosno 100 %).

Vrijeme punjenja.

Podrazumijeva vrijeme da se prazna baterija napuni do vrha. elimo u pravilu da nam bude to je mogue manje.

Energija/cijena.

Ovo je jedan ekonomski parametar, ali ne i manje bitan. Ovaj e parametar zasigurno biti vrlo esto odluujui prilikom odabira baterije. Ovdje, pod pojmom energija se misli na energiju (odnosno kapacitet) koju u baterije moemo pohraniti, tj. koji nam baterija moe dati. elimo da bude to je mogue vei, tj. da dobijemo to vie energije za to manje novaca.

Ima jo mnogo parametara koji opisuju baterije kao to su pouzdanost, sigurnost i jo mnogi drugi, neemo ih ovdje vie nabrajati.

2. Princip rada baterija

Da bi smo razumjeli kako baterije rade trebamo znati neto malo elektrokemije, zbog toga to se u baterijama odvijaju elektrokemijski procesi. Za poetak emo dati definicije nekih elektrokemijskih procesa.

Oksidacija je proces otputanja (gubitaka) elektrona u atomu (molekuli). Prilikom ove reakcije atom postaje pozitivan ion tj. anion ili negativan ion tj. kation postaje neutralni atom.

Redukcija je proces vezanja (dobivanja) elektrona u atomu (molekuli). Prilikom ove reakcije pozitivan ion (anion) postaje neutralni atom, ili atom postaje negativan ion odnosno kation.

Oksidacijski agens je tvar u kojoj se dogaa oksidacija.

Redukcijski agens je tvar u kojoj se dogaa redukcija.

Anoda je elektroda gdje idu anioni odnosno negativna elektroda. Moe se zakljuiti da se na anodi odvija oksidacija.

Katoda je elektroda gdje idu kationi odnosno pozitivna elektroda. Moe se zakljuiti da se na katodi odvija redukcija.

Slika 2.1: Elektrokemijski lanak

Objasniti emo kako radi elektrokemijski lanak koji se nalazi na slici 2.1. On se sastoji od anode od cinka. Cink-nitrat je oksidacijski agens. Katoda je od bakra, a redukcijski agens je bakar(II)nitrat. Redukcijski i oksidacijski agens su razdvojeni pomou solnog mosta. U solnom mostu se nalazi otopina od natrij nitrata koja je zaepljenja sa vatom, kao na slici 2.1. Uloga solnog mosta je da sprijei mjeanje iona Cu2+ i Zn2+, a da omogui razmjenu iona NO3 i na taj nain omoguuje se struji da tee.

Na anodi se dogaa oksidacija. Elektroni putuju kroz vanjski strujni krug na katodu gdje se dogaa redukcija. Ioni cinka koji su nastali oksidacijom putuju prema solnom mosti u oksidacijskom agensu. Ulaze u solni most, a da bi se zadrala ravnotea naboja iz solnog mosta u oksidacijski agens ulaze po 2 iona nitrata. Nitrat putuje po solnom mostu na stranu redukcijskog agensa gdje ulazi u redukcijski agens, a da bi se zadrala ravnotea naboja u solni most ulaze ioni bakra. Oni se rekombiniraju na katodi sa 2 elektrona koja su nastala oksidacijom na anodi.

Vidimo da imamo stuju kroz vanjski strujni krug. Svaka reakcija oksidacije i redukcije ima neki potencijal. Taj potencijal se mjeri u odnosu na reakcije oksidacije i redukcije za vodik. Ako imamo standardne uvijete, a to su standardna temperatura, tlak, koncentracija iona u oksidacijskom odnosno redukcijskom agensu, ti potencijali se mogu oitati iz tablica standardnih elektrokemijskih potencijala. Ako pak nemamo standardne uvijete onda moramo izraunati potencijale oksidacije odnosno redukcije, a to moemo nainiti upotrebom Nernstove ili Nernst-Goldmanove jednadbe. Ovdje neemo navoditi oblik ovih jednadbi, one prelaze okvire ovog izlaganja. One se ovdje navode kako bi se itatelj kojeg dublje zanima ova problematika mogao to bolje informirati.

Iz tablice standardnih elektrokemijskih potencijala iitavamo sljedee:

Cu2(aq)+2e Cu(s) (E = +0.34 V)

Zn2(aq)+2e Zn(s) (E = 0.76 V)

U tablici standardnih elektrokemijskih potencijala tabelirane su samo reakcije redukcije. Poto nama trebaju reakcije i oksidacije i redukcije, da bismo dobili reakciju oksidacije potrebno je samo reakciju napisati naopake i promijeniti predznak elektrokemijskog potencijala. Tako da sada moemo pisati sljedee jednadbe.OX: Zn Zn2++2e (E = 0.76 V)

RED: Cu2++2e Cu (E = 0.34 V)

Reakciju moemo zapisati i pomou jedne jednadbe kao:

Zn(s)+Cu2+(aq) Zn2+ (aq) +Cu(s)

Nominalni napon elije raunamo kao zbroj napona reakcije oskidacije i redukcije:

Zbrajajui te potencijale (0.76+0.34 = 1.1 V) dobivamo napon elije jednak 1.1 V.

Solni most moe se zamijeniti poroznim diskom, a porozni disk se moe zamijeniti separatorom. Na slici 2.2. prikazana je evolucija tj. razvoj kako se od solnog mosta preko poroznog diska razvio separator koji se danas koristi u praktiki svim baterijama.

Slika 2.2. Od solnog mosta do separatora (ovo me asocira na onu Od Vardara pa do ... =)

3. Baterije zasnovane na tehnologijama nikla.

3.1. Nikal kadmij (NiCd) baterije

NiCd bateriju pronaao je davne 1899. veanin Waldmar Jungner. NiCd je sekundarna baterija. Ona se sastoji od anode od kadmija i katode od nikal II hidroksida. Elektrolit joj je kalij hidroksid, a poto je kalij alkalni metal, ovo je bila prva alkalna baterija. Svojstvo alkalnih baterija je da koncentracija elektrolita nije mjerodavna za stanje kapaciteta baterije. (Npr. kod olovnih akumulatora koncentracija elektrolita je u direktnoj vezi sa stanjem kapaciteta).

Komercijalizirana je 1910. u vedskoj, a 1946. u SAD. Prvi modeli imali su neto vee gustoe energije od olovnih akumulatora ali su bili znatno skuplji.

Slika 3.1.1: Nikal kadmij baterija

Zanimljivo je spomenuti i rei neto o bateriji nikal eljezo (NiFe). NiFe je takoer sekundarna baterija. 1903. gospodin Jungner je pronaao NiFe bateriju, smatrao ju je vrlo loom u odnosu na NiCd jer proizvodi mnogo vodika pri punjenju. Imala je slabu korisnost punjenje/pranjenje. Bila je jeftina zbog toga to je bila loa i zbog svih tih razloga Jungner se nikad nije zamarao da bi iao patentirati NiFe bateriju jer ju je smatrao loom. Jo iste godine (1903.) T. A. Edison pokupio je izum i patentiro je NiFe bateriju. Danas se svugdje moe pronai kako je Edison izumio prvu alkalnu bateriju, ali nije. On nije nita izumio (od baterija naravno). Prvu alkalnu bateriju izumio je gospodin Waldamar Jungner. Edison je naime tragao za sekundarnom baterijom koja bi bila bolja od olovnih akumulatora. Htio je napraviti elektrini automobil i htio je da on postane standard za osobne automobile. To mu nije polo za rukom, ve su tu titulu odnesli automobili sa unutranjim sagorijevanjem koje je tada proizvodio Ford.

NiCd baterije se dijele na dvije skupine. To su otvorene (eng. vented) i zatvorene (eng. sealed). Prvo su se razvile otvorene i one su imale ventil kroz koji je izlazio vodik i kisik koji nastaje prilikom punjenja. Kasnije su se razvile zatvorene u kojima se vodik i kisik na neki nain rekombiniraju i tako uklanjaju opasnost od nastanka eksplozije zbog prevelikog tlaka. I zatvorene NiCd baterije imaju ventil, ali sigurnosni.

Dane su reakcije koje se dogaaju u bateriji prilikom pranjenja:

A-O: Cd+2OHCd(OH)2+2e

K-R: NiO2+2H2O+2eNi(OH)2+2OH

Cd+NiO2+2H2OCd(OH)2+Ni(OH)2

Kao to smo ve spomenuli elektrolit je KOH i vidimo da on ne sudjeluje u reakcijama. Reakcije prosjeno daju 1.2 V.

U tablici 3.1.1. dane su karakteristike NiCd baterije:

Masena gustoa energije40-60 Wh/kg

Volumna gustoa energije50-150 Wh/dm3

Masena gustoa snage150 W/kg

Korisnost punjenje/pranjenje70-90 %

Energija/cijenaOko 1 Wh/US$

Samopranjenje10 %/mj

Rok trajanja

Broj ciklusa u roku trajanja2000

Nominalni napon elije1.2 V

Tablica 3.1.1: Karakteristike NiCd baterije

Prednosti:

Dobro podnose duboka pranjenja. Brzo i jednostavno punjenje. esto se NiCd koriste kao zamjena za olovne akumulatore, pa ih je dobro usporediti. NiCd ima bolju gustou energije u odnosu na olovne akumulatore. Punjiva je alkalna baterija. Ima velik broj punjenje/pranjenje u toku roka trajanja i openito ima dug rok trajanja to je jedna od glavnih prednosti.

Nedostatci:

Posjeduje memory efekt. Kadmij je toksian, a neke zemlje EU imaju ak zabranjuju uvoz NiCd baterija zbog kadmija. Ako se baterija prepuni na anodi se stvara kisik, a na katodi vodik to ini posebne potekoe. Imaju relativno malu gustou snage, manju u odnosu na Li-ionske baterije

3.2. Nikal metal hidridne (NiMH) baterije

NiMH baterije razvile su se od NiCd baterija. Katoda od Cd zamjeni s legurom koja dobro upija vodik. Takve legure zovu se hidridi, a oni se sastoje od metala rijetkih zemalja kao to su Lantan, Cerij, Neodimij, Prazeodimij. Izumio ju je pod kraj 1980.-ih Stanford R. Ovshinsky. Dugo vremena su bile najbolje komercijalno dostupne baterije, sve do pojave Li-ionskih baterija na tritu.

Slika 3.2.1: Presjek nikal metal hidridne baterije

Navesti emo samo jednadbe oksidacije i redukcije. Neemo objanjavati elektrokemiju u detalje.

Prosjean napon NiMH baterija je 1.2 V kao i kod NiCd. One se izrauju u istim kuitima kao i alkalne baterije. To su kuita AA i AAA. Kao takve slue kao zamjena alkalnim baterijama. Moramo imati na umu da alkalne baterije imaju napon od 1.5 V i da neki ureaji nee htjeti raditi na naponu od 1.2 V.

Karakteristike NiMH baterije dane su u tablici 3.2.1.

Masena gustoa energije30 - 80 Wh/kg

Volumna gustoa energije140 300 Wh/dm3

Masena gustoa snage250 - 1000 W/kg

Korisnost punjenje/pranjenje66 %

Energija/cijena1.37 Wh/US$

Samopranjenje30 %/mj

Rok trajanja

Broj ciklusa u roku trajanja500 1000

Nominalni napon elije1.2 V

Tablica 3.2.1: Karakteristike NiMH baterije

Prednosti:

Imaju 30 - 40 % vei kapacitet od NiCd. Manje izraen memory efekt nego kod NiCd. Ne sadri toksine materijale. Jednostavna pohrana i transport.

Nedostatci:

Imaju veliki stupanj samopranjena (ak 30%/mj!). Sloeniji algoritam punjenja nego kod NiCd. Mali vijek trajanja. Memory efekt. Slabija korisnost punjenje pranjenje od NiCd. Oko 20 % skuplji od NiCd. Slabije gustoe energije i snage u odnosu na Li ionske baterije. Ovdje to navodimo jer se esto usporeuju ova dva tipa baterija.

Sada emo dati grafove tj. karakteristike za NiCd i NiMH baterije i ukratko

emo ih objasniti.

Punjenje:

Na gornjim slikama prikazane su karakteristike punjenja za NiCd i NiMH baterije. Iz njih se izvode algoritmi punjenja.

Kod NiCd baterija napon raste prilikom punjenja do maksimuma, a zatim pone padati. Kada padne za 45 mV baterija je puna. Algoritam moemo izvesti tako da mjerimo napon baterije i da iskljuimo punjenje kada napon padne za 45 mV od maksimuma. Ovaj pad napona se dogaa zbog toga to je baterija ve skoro puna i energija se vie ne koristi za punjenje baterije, ve, kao to se moe vidjeti na slici za poveanje temperature baterije. Iz slike se vidi da kad temperatura poraste za 10 K da je baterija puna. Dakle mogue je mjeriti i porast temperature baterije i kada on iznosi 10 K potrebno je iskljuiti punjenje.

Kod NiMH baterija slina je situacija. Ovdje se takoer moe mjeriti i napon i temperatura. Baterija je puna kada napon dosegne maksimum. Ako se ide na mjerenje temperature, bateriju treba iskljuiti sa punjenja kada temperaturni gradijent (dT/dt) dosegne nekakvu graninu vrijednost. Isto kao i kod NiCd baterija temperatura poinje naglo rasti kada se baterija prepuni zbog toga to se energija koja se inae koristila za punjenje pone koristiti na poveanje unutranje kalorike energije.

Na slici ispod dana je jedna realna karakteristika punjenja NiCd baterije. Punjenja su vrena strujama C/2 i C/10.

Memory efekt:

Na gornjoj slici vidi se efekt merory efekta. Naime kapacitet baterije procjenjuje se na osnovi napona baterije. Manji iznos napona ukazuje na to da je baterija prazna. Granica pri kojoj je baterija prazna oznaena je na slici pravcem shutoff threshold. Baterije prilikom memeory efekta imaju manji napon na mjestu od kojega su bile nadopunjavane, te se to prepoznaje kao da je baterija prazna.

Na slici se takoer jasno vidi da NiCd ima jae izraen memory efekt od NiMH baterija4. Litij ionske baterije

Ideja da bi se litijske baterije mogle koristi see jo od davnih dana (1912. Lewis). Litij je jedan od najlakih metala, a uz to nalazi se na samom rubu periodnog sustava elemenata i ima jako dobru elektronegativnost. Reakcija oksidacije odnosno redukcije litija daje nam oko 3 V. Visok napon osigurava nam veliku gustou energije, a mala masa velike vrijednosti specifine energije.

Prve baterije na bazi litija bile su baterije sa litij metalom. Tako su se razvile prve litij-metalne baterije.

Ideja o baterijama na bazi litijskih iona rodila se tek krajem prolog stoljea. Tako da se danas litij ionske baterije jo razvijaju.

Prva Li-ionska baterija razvijena je u Bell Labs, a ubrzo je prizvedena i komercializirana (1991.) prva Li-ionska baterija. To se dogodilo u poduzeu Sony pod vodstvom ing. John-a Goodenough-a.1996. razvijene su nove baterije na bazi litij iona tzv. Li Ion Polimer baterije i jo se uvijek istrauju.

Kod litij ionskih baterija anoda je obino od ugljika dok je katoda nainjena od litij kobalt dioksida. Elektrolit je ispunjen litijevim ionima, a izmeu je separator. U sluaju litij polimer baterije elektrolit je zamijenjen vrstim polimerom u kojem se gibaju litijevi ioni.

Slika 4.1: Kristalna struktura anode i katode litij ionske baterije

Slika 4.2. Jedna od izvedbi litij ionske baterije

Elektrokemija litij ionske baterije opisana je donjom jednadbom koju ovdje neemo opisivat, nego emo je samo navesti.

Karakteristike litij ionske baterije dane su tablicom 4.1.

Masena gustoa energije160 Wh/kg

Volumna gustoa energije270 Wh/dm3

Masena gustoa snage1700 W/kg

Korisnost punjenje/pranjenje99.9 %

Energija/cijena2.8-5 Wh/US$

Samopranjenje5-10%/mj

Rok trajanja24-36 mj

Broj ciklusa u roku trajanja1200

Nominalni napon elije3.7 V

Tablica 4.1. karakteristike litij ionske baterije

Prednosti:

Visoke vrijednosti gustoe energije i snage na to treba zahvaliti velikoj elektronegativnosti i maloj masi litija. Visok nominalni napon elije (3.7 V).Mala masa. Nema memorijskog efekta. Mala vrijednost samopranjenja. Visoka korisnost punjenje/pranjenje. Veliki broj ciklusa punjenja pranjenja.

Nedostatci:Temperaturni pobjeg. Da bi se sprijeio potrebni su senzori i zatitna elektronika koja je obino integrirana u samoj bateriji. Zbog nje je se poveava vrijednost samopranjenja. Temperaturni pobjeg jedan je od glavnih nedostataka litij ionskih baterija. Opasne ako se njima ne rukuje na pravilan nain. Visoka cijena, ali ona je stalno u padu i danas one nisu tako skupe. Rok trajanja poinje od trenutka kada su proizvedene. Trajnost jako ovisna o temperaturi. Ako potpuno ispraznite bateriju moete je baciti odnosno slabo podnosi duboka pranjenja. Dati emo odmah, poto smo ih ve i opisali karakteristike litij polimer baterija. One su prikazane u tablici 4.2.Masena gustoa energije130 - 200 Wh/kg

Volumna gustoa energije300 Wh/dm3

Masena gustoa snagedo 2800 W/kg

Korisnost punjenje/pranjenje99.8 %

Energija/cijena2.8-5 Wh/US$

Samopranjenje5%/mj

Rok trajanja24-36 mj

Broj ciklusa u roku trajanja>1000

Nominalni napon elije3.7 V

Tablica 4.2. Karakteristike litij polimer baterija

Slika 4.3: Izvedba litij polimer baterija

Prednosti:

Velika gustoa energije i snage. Malo samopranjenje. Nema memory efekta. Manje osjetljive na temperaturni pobijeg i openito sigurnije od litij ionskih baterija. Robusnost. Manja cijena proizvodnje. Dizajn mogue ih je izvesti tanke poput kreditne kartice.

Nedostaci:

Nedostataka gotovo da i nema. Teko je grditi najboljeg u klasi. Moemo im navesti kao nedostatak to su jo trenutno u fazi istraivanja i to su jo nedovoljno istraene. Jo uvijek su nedovoljno dobre za elektrine automobile.

Punjenje:

Karakteristika punjenja dana je na slici ispod:

Punjenje se vri prvo uz konstantu struju. Pri tome napon raste. Kada dosegne maksimalnu vrijednost, napon ostaje konstantan. Kako se baterija puni struja pada i kada padne na 3% poetne vrijednosti punjenje je zavreno, a baterija je puna. Punja moe povremeno nadopunjavati bateriju kako bi kompenzirao samopranjenje. Na ovaj nain se osigurava da je baterija puna cijelo vrijeme.

Ovisnost kapaciteta o temperaturi:

Na karakteristici se vidi kako pri niskim temperaturama imamo snieni kapacitet.Ovisnost kapaciteta o broju ciklusa punjenje/pranjenje:

Na slici moemo vidjeti kako kapacitet pada sa porastom ciklusa punjenja/pranjenja.

5. Litijske primarne baterijeLitijske baterije su primarne baterije sa anodom od litij metala ili litija sa nekim primjesama. Ovisno o dizajnu i kemijskom sastavu mogu dati napon od 1.5 V do 3 V. Imaju vrlo raznoliku primjenu.Tabelarno e biti dani neki tipovi litijskih primarnih baterija.

Kemijska tehnologijaKatodaElektrolitUNUOCWh/kgWh/dm3

Li-MnO2

(Li-Mn)Mangan dioksidLitij perklorid u propilen karbonatu i dimetoksietanu33.7280580

Najei tip litijeve baterije (oko 80% trita). Koristi jeftine materijale. Moe dati jake pulseve struje. Dugoivua. Do 60C. Veliki stupanj samopranjenja na visokim temperaturama

Li-SOCl2 Tionil-diklorid Litij aluminij klorid u tionil-dikloridu3.53.65290670

Tekua katoda. Za niske temperature. Radi na -55C gdje je mogue iskoristiti oko 50% kapaciteta. Dosta veliki unutarnji otpor. Moe eksplodirati ako se kratko spoji. Sadri toksine materijale

Li-SO2Litij sumpor dioksidLitij bromid u sumpor dioksidu sa malim dodatkom acetomitrila2.85 3250400

Tekua katoda. Radi od -55C do 70C. Sadri SO2 pod visokim tlakom. Zahtjeva sigurnosni ventil. Moe eksplodirati u nekim uvijetima. Skupa. Toksina. Na niskim temperaturama bolje performanse od Li-MnO2. Koristi se za vojne svrhe.

Li-(CF)x(BR)Ugljik monoflouridLi-BF4 u propilen carbonidu 2.83.1360680

Visoka gustoa energije. Dug rok trajanja (7 godina shelf life). Koristi se za male i srednje struje kao npr. satovi, memorije. Vrlo dobri sigurnosni rezultati. Koriteno u svemirskim programima, vojsci, u medicini za napajanje peacemakera. Najvia radna temperatura 85C. Vrlo nizak stupanj samopranjenja

Li-Ag2CrO4Srebro kromidOtopina litij perklorida3.1/.63.45

Vrlo velika pouzdanost. Nakon djelominog pranjenja napon se zadrava na 2.6 V. Razvijena za medicinske svrhe. Koristi se za napajanje peacemakera

6. Li ionske baterije trenutno stanje razvoja i pogled u budunost

Mnoge firme danas razvijaju litij ionske baterije. Jedna od njih je AltairNano koja razvija Li-Ionske baterije sa elektrodama od nano titana. Do sada su razvili baterije koje imaju gustou snage 4000 W/kg ali je gustoa energije upola manja od konvencionalnih Li-Ionskih baterija. Mogue je ostvariti punjenje baterije u 6 minuta. Imaju izuzetno dug rok trajanja od 20000 cliklusa punjenja pranjenja to je dovoljno za 20 godina rada. Temperaturno podruje rada od -50C do 75C to je vrlo veliki opseg. Izostaje termalni pobjeg jer se ne koriste elektrode od ugljika.Razvili su bateriju pod brendom NanoSafe. Firma A123 systems razvija baterije na bazi Li ion eljezo fosfata koje bi se mogle koristiti za elektrine i hibridne automobile. Do sada su razvijene baterije gustoe energije 450 Wh/kg, koritene su za alatne strojeve (builice), te za hibridni automobil Chevrolet Volt.

Dananja tehnologija Li ionskih baterija razvija se slino kao i tehnologija ultra kondenzatori tj. za elektrode se koriste materijali sa velikom specifinom povrinom. Ovdje kljunu ulogu odigrava nanotehnologija.

Dananje baterije razvijaju se tako da im se poveava gustoa snage, dok gustoe energije ili stagniraju ili ak opadaju. Po miljenju autora ovog teksta trebale bi se traiti baterije koje imaju vee gustoe energije. Takve baterije bile bi dobre za elektrine automobile jer bi im se na taj nain poveao radijus kretanja. Poto automobili ne trebaju punu snagu esto i ako trebaju to je samo u nekakvim kratkim intervalima (kao to je pretjecanje) potrebe za snagom mogle bi se zadovoljiti upotrebom ultrakondenzatora koji imaju vrlo visoke gustoe snage i niske gustoe energije.

7. Hibridni i elektrini automobili

Chavrolet VoltChavrolet Volt je hibridni automobil. Izveden je na sljedei nain: 1L 71 hp (53 kW) 3 cilindarski benzinski motor pogoni elektrini generator 53 kW koji puni baterije (koje mogu pohraniti 16 kWh). Baterije zatim pogone 120 kW elektrini motor. Bez rada benzinskog motora ima radijus kretanja 64 km, a sa ukljuenim benzinskim motorom 1030 km. Moe se prikljuiti na mreu 120 V, punjenje traje 6.5 h.

.

Slika 7.1: Chavrolet Volt

Toyota Rev4

Toyota Rev4 je elektrini automobil. Ima sljedee karakteristike. Ima 24 kom. 12 V 95 Ah NiMH baterije koje ukupno mogu pohraniti 27.4 kWh. Radijus kretanja je od 130 do 190 km, a zavisi u kakvom su stanju baterije (starost itd.). Moe postii maksimalnu brzina od 126 km/h. Ubrzava od 0 do 100 km/h za 18 s. Punjenje traje 5 sati.

Slika 7.2: Toyota Rev4

Tesla Roadster

Tesla Roadster je takoer elektrini automobil. Ima 6831 Li ionskih baterija u pakiranjima slinim kao i kod laptopa (18650 cilindrinih baterija). Mogue je pohraniti 53 kWh energije. Punjenje u 3 i pol sata. Baterije su dostatne za 240000 km to se tie roka trajanja. Korisnost vozila je 90%, a prosjeno 80% pri maksimalnoj snazi. Motor je trofazi asinkroni 4-polni. Od 0 do 100 km/h za 5.7 s. Maksimalna brzina je 201 km/h. Radijus kretanja 356 km. Troi 1.5 l ekvivalentne nafte na 100 km. Ima stranji pogon.

Slika 7.3: Tesla Roadster8. Zakljuak

Baterije imaju najrazliitiju primjenu. Primjenu ograniavaju stupanj razvoja. Nezamislivo je bilo koristiti baterije kao pogon automobila dok se nisu razvile baterije sa dovoljno velikim gustoama energije i snage. Koritenje baterija u transportu ima velikih prednosti u odnosu na konvencionalne pogone. Nabrojiti emo neke od njih. Ekologija. Zamislite samo koliko se nafte spali svakodnevno u Zagrebu. Zamislite kakva bi reakcija ljudi kada bi im rekli da usred Zagreba planirate izgraditi termoelektranu koja u kojoj e se spaljivati ista koliina nafte kao i u autima u Zagrebu. Smanjenje emisije C02. Uinkovitjii su. Jeftiniji su to se tie cijene goriva itd.

Dati emo za kraj usporedbu pojedinih tipova baterija:

EMBED Equation.3

-1-

_1262575949.unknown