 Bateri Li-ion bagi telefon bimbit Nokia | |
| Tenaga tertentu | 100–265W·h/kg[1][2](0.36–0.95 MJ/kg) |
|---|---|
| Ketumpatan tenaga | 250–730W·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 | 2.5W·h/AS$ |
| Kadar nyahcas diri | 8% pada21 °C 15% pada40 °C 31% pada60 °C (sebulan)[4] |
| Kelasakan kitaran | 400–1200kitaran[5] |
| Voltan sel nominal | NMC 3.6 / 3.7V,LiFePO4 3.2V |
Bateri ion litium (bahasa Inggeris:lithium ion battery, sering disingkatkan kepadaLi-ion atauLIB) adalah salah satu jenisbateri cas semula yang menghasilkan kuasanya sendiri hasil janaan pergerakanionlitium darianod kekatod semasa proses penyahcasan dan kembali ke kedudukan asal semasa dicas. Bateri jenis ini menggunakansebatian litiumyang disisipkan sebagai bahanelektrod, berbanding logam litium yang digunakan dalambateri litiumtidak boleh cas semula.
Bateri ini lazimnya digunakan dalamperalatan elektronik pengguna. Ia merupakan salah satu daripada jenis bateri cas semula paling popular bagi peranti elektronik mudah alih, serta mempunyaiketumpatan tenaga antara yang terbaik, tiadakesan ingatan (walau bagaimanapun, sila ambil perhatian bahawa sesetengah kajian menunjukkan beberapa petanda kesan ingatan pada bateri ion litium[6]), dan hanya menunjukkan kadarkehilangan cas yang perlahan apabila tidak digunakan. Selain peralatan elektronik pengguna, bateri Li-ion juga semakin popular dalam bidang ketenteraan,kenderaan elektrik dan aplikasiaeroangkasa.[7] Misalnya, bateri ion litium mula menjadi bateri pengganti yang lazim bagibateri asid-plumbum yang digunakan sejak berzaman lagi pada kereta golf dan kenderaan utiliti. Daripada menggunakan plat plumbum yang berat sertaelektrolit berasid, trend sekarang ialah menggunakan anod litium/karbon yang ringan dan katod litium besi fosfat. Bateri ion litium 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 berasaskanlitium 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) danlitium titanat (LTO) merupakan rekaan khusus yang disasarkan pada peranan niche khas.
Bateri ion litium 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.
Tiga komponen berfungsi utama bagi bateri ion litium ialah:[9]
Peranan elektrokimia bagi setiap elektrod saling bertukar antara anod dan katod, bergantung kepada arah aliran arus melalui sel.
Jangka hayat dan tahap keselamatan bateri ion litiumteknologi nano mula diterapkan bagi menambah baik prestasinya bergantung kepada pemilihan bahan,voltan danketumpatan tenaga.
Elektrolit bukan akueus lazimnya digunakan kerana sifat litium tulen sebagai bahan mentah sangatreaktif sehingga bertindak balas secara cergas dengan air bagi membentuklitium hidroksida dan gashidrogen. Bekas bertutup mengasingkan sebarang kelembapan daripada pek bateri untuk mengelakkan kemalangan sedemikian.
Bateri ion litium lebih mahal daripada bateriNiCd 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 ion litium dibekalkan sebagai sebahagian daripadapek 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 risikolitar pintas.[13]
Sel-sel Li-ion boleh didapati dalam pelbagai faktor bentuk , yang secara amnya terbahagi kepada empat kumpulan:[14][petikan lengkap diperlukan]
Ketiadaan bekas menjadikan sel kantung mempunyai ketumpatan tenaga tertinggi; walau bagaimanapun, sel kantung (dan sel prismatik) memerluakan bekas luaran bagi mencegah pengembangan bateri apabilakeadaan casnya tinggi.[15]
Tindak balas elektrokimia dalam bateri ion litium melibatkan tiga komponen utamanya iaituelektrod anod dan katod serta elektrolit sebagai bahan perantara. Kedua-dua elektrod membenarkan ion litium berpindah antara satu sama lain. Semasamasukan (atauinterkalasi) ion-ion bergerak ke dalam elektrod. Semasa proses lawannya,pengekstrakan (ataunyahinterkalasi), ion-ion bergerak keluar. Semasa sel berasaskan litium sedangnyahcas, ion positif diekstrak dari elektrod negatif (biasanya grafit) dan dimasukkan ke dalam elektrod positif (sebatian mengandungi litium). Semasa baterimengecas, keadaan yang sebaliknya berlaku.
Kerja berguna terjana apabilaelektron mengalir melalui litar luaran tertutup. Persamaan berikut menunjukkan satu contoh tindak balas kimia, dalam unitmol, membolehkan pemalar digunakan.
Tindak balas separa bagi elektrod positif ialah:[16]
Tindak balas separa bagi elektrod negatif ialah:
Tindak balas keseluruhan mempunyai hadnya yang tersendiri. Mengecas bateri secara berlebihan melampautepukanlitium kobalt oksida, membawa kepada penghasilanlitium oksida,[17] melalui tidak balas tidak berbalik berikut:
Mengecas lampau sehingga 5.2volt membawa kepada sintesis kobalt (IV) oksida, seperti yang dibuktikan olehpembelauan sinar-x:[18]
Di dalam bateri ion litium, ion-ion litium diangkut kepada dan daripada katod atau anod dengan mengoksidakanlogam peralihan, kobalt (Co), dalamLixCoO2 daripadaCo3+ kepadaCo4+ semasa mengecas, dan diturunkan daripadaCo4+ kepadaCo3+ semasa mengecas.
Tenaga sel bersamaan dengan hasil darab voltan dengan cas. Setiap gram litium mewakilipemalar 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 pembakaranpetrol, 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.
Voltan sel yand diberi dalam bahagian Elektrokimia adalah lebih besar daripada keupayaan yang manalarutan akueus akanterelektrolisis. Memandangkan sifat logam litium yang sangat reaktif terhadap air, larutan bukan akueus atau aprotik digunakan.
Elektrolitcecair dalam bateri ion litium terdiri daripadagaram litium, sepertiLiPF6,LiBF4 atauLiClO4 di dalampelarutorganik, sepertiethilena karbonat,dimetil karbonat, dandietil 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, apabilapelarut 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]
Semasa mengecas, ion-ion litiumLi+ membawaarus dari elektrod negatif ke positif, melaluielektrolit bukanakueus 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 sebagaiinterkalasi.
Prosedur mengecas bagi sel Li-ion tunggal, dan bateri Li-ion berbilang sel, adalah berbeza sedikit.
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) sementarakeadaan 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 bawah4.05 V/cell.
Bateri ion litium 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]
|deadurl= ignored (bantuan)|journal= (bantuan)|format= requires|url= (bantuan).104 (104): 4245.doi:10.1021/cr020730k.CS1 maint: ref=harv (link) | Wikimedia Commons mempunyai media berkaitanBateri ion litium |