Litium-ionbatterier (Li-ionbatterier) er den vanligste batteriteknologien som brukes i dag. De finnes blant annet i mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og elbiler. Denne teksten skal forklare hvorfor Li-ionbatterier er så vanlige, hvordan de fungerer og hva de kan brukes til.

Les mer generelt om batterier her (UngEnergi.no).

Hvorfor nettopp litium-ionbatterier?

Når man skal lage et batteri er det noen ting som er viktig å tenke på. For det første ønsker man å få elektroner til å strømme gjennom en krets, da det er dette som gir oss strøm. Da er det lurt å bruke et materiale som har veldig lyst til å gi fra seg elektroner. For det andre er det ønskelig å gjøre batteriet så lett og lite som mulig, slik at man kan lagre mye energi uten at det krever for mye plass eller blir for tungt. Om man studerer litiumatomet finner man raskt ut at det passer perfekt til bruk i et batteri.

Litium er det tredje atomet i periodesystemet. Det betyr at det har tre protoner i kjernen, og tre elektroner i elektronskallene sine i grunntilstanden. For å være så stabil som mulig ønsker alle atomer å ha sitt ytterste skall fylt av elektroner. Derfor har litium veldig lyst til å gi fra seg sitt ytterste elektron slik at kun det innerste skallet gjenstår. Denne egenskapen kan man utnytte i et batteri.

Siden litium kun har tre protoner i kjernen, og kjernen utgjør mesteparten av vekten til et atom, er det også et veldig lett materiale. Kun hydrogen og helium kommer før litium i periodesystemet, men siden disse er ikke-metaller er litium faktisk det letteste metallet som finnes. I tillegg er det fysisk sett veldig lite, noe som gjør at det heller ikke tar så stor plass. Disse to faktorene hjelper å gi batteriet en høyere energitetthetMengden energi som kan lagres per volum eller vekt..

Hvordan fungerer et litium-ionbatteri?

Et Li-ionbatteri består av en anode, en katode, en elektrolytt, en separator og to strømsamlere. I likhet med andre batterier produseres det strøm ved at elektroner beveger seg fra anoden til katoden gjennom en ytre krets. Samtidig vil ionerEt atom som har fått eller gitt fra seg elektroner. Et ion har derfor en positiv eller negativ elektrisk ladning. transporteres gjennom elektrolytten for å balansere den elektriske ladningen i systemet. Det som kjennetegner Li-ionbatterier er at det er nettopp litium-ioner som beveger seg gjennom elektrolytten. 

Anoden og katoden i batteriet har en lagvis struktur, og mellom disse lagene ligger det lagret litium. Når batteriet lades ut (brukes for å gi strøm til et apparat) vil elektroner bevege seg fra anoden til katoden, og samtidig vil positive litium-ioner løsne fra anoden. Disse ionene transporteres så gjennom elektrolytten, og legger seg i den lagvise strukturen til katoden. Både elektronene og litium-ionene går altså fra anoden til katoden, men de tar to ulike veier. For at denne reaksjonen skal fungere så godt som mulig er anoden og katoden i batteriet koblet til hver sin strømsamler. Disse er laget av metall, og leder derfor elektroner godt. Når batteriet lades ut tar strømsamleren på anodesiden imot elektroner fra anoden, og sender dem gjennom kretsen. 

Separatoren i batteriet er omgitt av elektrolytten, og sørger for at anoden og katoden ikke rører hverandre. Det er viktig fordi kontakt mellom dem ville ført til kortslutningOppstår når strømmen finner en enklere vei å gå, og unngår den vanlige kretsen.. Likevel tillater separatoren passasje av litiumioner. Fri flyt av ioner er viktig for at det ikke skal oppstå en elektrisk ubalanse i batteriet. Når positive litium-ioner møter på elektroner vil ladningene deres nøytralisere hverandre, og på den måten opprettholdes det en elektrisk nøytralitet.

Når batteriet lades opp reverseres reaksjonen. Batteriet vil da påføres en strøm som tvinger elektronene til å gå fra katoden og tilbake til anoden. Da vil også litium-ioner gå tilbake og legge seg i den lagvise strukturen på anodesiden igjen.

Ulike typer litium-ionbatterier

Det finnes flere ulike typer Li-ionbatterier. Alle fungerer på samme måte, men det er vanlig å skille dem basert på hva slags materiale katoden er laget av. Ulike katodematerialer endrer hvor stabile, energitette og billige batteriene vil være. Felles for alle katodene er at de består av litium, diverse metaller og oksygen. Alle er derfor såkalte metalloksiderKjemiske forbindelser bestående av metall og oksygen.. Mengden litium som er på katoden vil variere mens batteriet brukes. Når batteriet er helt fulladet vil nemlig mye av det ha beveget seg over til anoden. Grunnen til at litium fortsatt nevnes som en del av katodematerialet er at det opprinnelig var på katoden da batteriet ble produsert. Det er først når batteriet lades opp for første gang at litium-ioner transporteres gjennom elektrolytten til anoden.

Her er noen eksempler på vanlige Li-ionbatterier og hva slags grunnstoff katoden består av:

• LCO-batterier: Litium, kobolt og oksygen

• LMO-batterier: Litium, mangan og oksygen

• LFP-batterier: Litium, jern, fosfor og oksygen

• NMC-batterier: Litium, nikkel, mangan, kobolt og oksygen

• NCA-batterier: Litium, nikkel, kobolt, aluminium og oksygen

Anoden i Li-ionbatterier er vanligvis basert på grafitt. Det er blant annet fordi det er et billig og rikelig tilgjengelig materiale. I tillegg utvider det seg lite ved opplading når litium legger seg i strukturen til grafitten. I dag forskes det også på muligheten for å bruke silisium som anodemateriale. Det kan nemlig lagre ti ganger så mye litium som grafitt, noe som gir batteriet en enda høyere energitetthet. Flere ønsker derfor å bruke det, men det er utfordrende fordi silisium utvider seg til mer enn tre ganger sin opprinnelige størrelse ved opplading. 

Bruksområder

Fordelene med Li-ionbatterier har gjort at de har blitt veldig vanlige i mange ulike sektorer. Kanskje det tydeligste eksempelet er bruken i diverse bærbare apparater. Så og si alle mobiltelefoner, smartklokker, nettbrett og datamaskiner har et slikt batteri. Om du har en elektronisk enhet i hjemmet ditt som kan lades opp, bruker den høyst sannsynlig et Li-ionbatteri. 

I de seneste årene har bruk av Li-ionbatterier også blitt svært vanlig i transportsektoren. Elbiler har utviklet seg mye, og nyere elbilmodeller har batterier med nok lagringskapasitet til å kjøre like langt som mange tradisjonelle fossilbiler. Også større kjøretøy som busser og lastebiler kan ta i bruk Li-ionbatterier til å drive sin elektriske motor. 

I tillegg til å drive elektriske apparater og kjøretøy kan Li-ionbatterier brukes til å lagre overskuddsstrøm. Etterhvert som det blir mer fornybar strømproduksjon blir det også mer relevant med lagring av overskuddsstrøm, og Li-ionbatterier er godt egnet for dette. Når sola skinner og vinden blåser vil det produseres ekstra mye strøm, og dette kan for eksempel lagres i batteriparkerEt anlegg med batterier som kan lagre store mengder energi. til det er behov for energien. Om man har solceller på huset sitt kan man også installere et eget batteri for å lagre energi hjemme. Denne energien kan brukes på et senere tidspunkt for å få billig strøm, eller ved nødstilfeller som hvis det har vært strømbrudd i nabolaget.

Ulemper

Til tross for at det er mange fordeler med Li-ionbatterier, som gjør at det brukes så mye som det gjør i dag, finnes det også noen ulemper. En av ulempene er levetiden. Over tid vil nemlig kapasiteten til alle typer batterier bli redusert, og det gjelder også Li-ionbatterier. De kan fungere i mange år og vil ikke dø ut helt plutselig, men etterhvert vil de ikke klare å lagre like mye energi som da de var nye. På de fleste moderne smarttelefoner kan man gå i innstillinger og sjekke batteriets kapasitet sammenlignet med da det var nytt.

De fleste Li-ionbatterier bruker kobolt i katoden sin. Bruk av dette metallet er utfordrende fordi en av de største eksportørene av kobolt er landet Kongo. Her har det blitt påvist menneskerettighetsbrudd og barnearbeid i forbindelse med koboltproduksjon. Dette har blant annet blitt sterkt kritisert av Amnesty International, og flere batteriprodusenter prøver av den grunn å begrense bruken av kobolt i sine produkter. 

En annen ulempe med Li-ionbatterier er energitettheten deres. Sammenlignet med andre batterier har Li-ionbatterier en høy energitetthet, men de er fremdeles for store og tunge til bruk i enkelte sektorer. De er for eksempel ikke egnet til bruk i fly og skip der størrelse og vekt er viktige faktorer. Det finnes noen elektriske ferger, men disse går kun over korte distanser og må lade ofte. For lengre distanser kan ikke Li-ionbatterier sammenligne seg med fossile drivstoff som kan ha flere titalls ganger så høy energitetthet. Dersom man skal gjøre fly og skip mer klimavennlig vil man enten trenge nye typer batterier, eller bruke andre teknologier som for eksempel brenselceller. 

Les om hvordan hydrogen kan brukes i en brenselcelle her (UngEnergi.no).