Liþín-jóna-rafhlaða

Líþíum-jóna rafhlaða er í hópi þeirra rafhlaðna sem hægt er að hlaða á nýjan leik eftir notkun. Rafhlaðan er samsett úr anóðu, katóðu og rafvaka sem tryggir flæði þarna á milli. Þessi endurhleðslueiginleiki ásamt þyngd, getu, öryggi og verði hafa gert líþíum-jóna rafhlöðunna að einni vinsælustu endurhlaðanlegu rafhlöðunni. Hana má líka víða finna í tækjum sem eru á hreyfingu og eru í notkun við óvenjulegar aðstæður. Í geimnum, í farartækjum, í hernaði og hversdagslegum raftækjum.

Þrátt fyrir ungan aldur líþíum-jóna rafhlöðunnar í núverandi mynd er enn verið að vinna að framþróun hennar, efnainnihaldi, eiginleikum og notkunnarmöguleikum.

Sagan 
Sögu líþín-jóna rafhlaðna má rekja aftur til áttunda áratugarins þegar líþín rafhlöður voru þróaðar. Þar fór fremstur M.S. Whittingham sem var þá við vinnu hjá Exxon fyrirtækinu en síðar hjá Binghamton University.  Sú merka uppfinning Whittingham að nota títan(II)brennistein og líþín málm sem rafskaut og sú staðreynd að J.O. Besenhard hjá TU Munich hafði fundið út að innskot í grafít og innskot í bakskauts oxíð gátu gengið í báðar áttir.  

Samar Basu og John Goodenough unnu sitt í hvoru lagi að þróun rafhlöðunnar, og áttu sinn þátt í framþróun hennar. Basu sýndi rafefnafræðilega hvernig innskotin í grafítið hegðuðu sér og Goodenough gerði rafhlöðu úr líþín kóbalt oxíði (LiCoO2) sem plús pól og líþín málm sem mínus pól. Var rafhlaðan 4V og endurhlaðanleg og var upphaf þess sem síðar varð útbreitt. 
 
Á níunda áratugnum vann Rachid Yazami einnig með endurhlaðanlega rafhlöðu eins og Goodenough nema að hann notaði stöðuga raflausn til að sanna að rafhlaðan virkaði á sama hátt. Skömmu síðar fundu Dr. Michael Thackeray, áðurnefndur Goodenough og samstarfsmenn þeirra, að mangansteind af flokki spinalla virkar vel sem katóða.  Ekki dregur úr að lægri kostnaður og meiri stöðugleiki fylgir með í kaupunum.  Tveimur árum síðar gerði Akira Yoshino frumgerð af rafhlöðu þar sem notað var kolefni í stað líþíum málms en með því jókst til muna öryggið við vinnslu rafhlöðunnar.  Með þessum uppgötgvunum var komin sú mynd á rafhlöðuna sem við þekkjum í dag.

Fyrsta líþíum-jón rafhlaðan fór í sölu 1991 en í hönd fóru smávægilegar breytingar og þróun á rafhlöðunni. Þar fóru fremstir Goodenough, Arumugam Manthiram, Akshaya Padhi og samstarfsmenn þeirra. Fólst það einkum í að breyta lítillega efnainnihaldi katóðunnar til að fá hærri spennu. Má þar nefna efni eins og brennisteinssýru og líþíum járn fosfat(LiFePO4).

Lokasprettinn í þróun líþíum-jóna rafhlöðunnar átti Yet-Ming Chiang hjá MIT stofnunni en það fólst í því að bæta virkni rafhlöðunnar með því að blanda fleiri efnum í réttum hlutföllum í innihald rafhlöðunnar. Meðal þessara efna var ál, niobium, sirkonium og járn fosfat. Það síðastnefnda dreyfist í afar litlu magni um rafhlöðuna en eykur rafeindaþéttleikan allt að hundraðfalt, eykur yfirborð rafhlöðunnar og bætir því í alla staði hraða og getu rafhlöðunnar. Þetta gerðist 2004 en 2011 var líþíum-jóna rafhlaðan 66% af öllum seldum ferðarafhlöðum sem ekki voru upprunalegar í tækjum í Japan.

Útlit 
Líþíum-jóna rafhlöður eru til í ýmsum útgáfum, stærðum og gerðum. Í grófum dráttum er hægt að skifta útliti þeirra í fjóra flokka en innan þeirra eru margar gerðir, stærðir, útfærslur og getumunur.

Flokkarnir fjórir eru þessir:
 Litlir sívalningar án rafskauts. Saman pakkaðar rafhlöður eins og í fartölvum.
 Stórir sívalningar með rafskauti. Þessi algenga gerð með opnum aðgengilegum rafskautum.
 Kassalaga, litlar og flatar rafhlöður í plasthulstri líkt og finnast í farsímum.
 Kassalaga, stórar í harðplast umbúðum með stórum aðgengilegum pólum.  Oftast notað í farartækjum og eru umbúðirnar hannaðar með það í huga.

Líkt og upptalningin gefur til kynna þá taka margar þessara rafhlaðna á sig margbreytilegar myndir, allt eftir því hvar þeim er ætlað að vera. Þannig hefur tæknibúnaður í ríkara mæli verið búinn endurhlaðanlegum rafhlöðum. Þar af leiðandi er þessar rafhlöður æ víðar að finna og í æ smærri einingum til að minnka fyrirferð viðkomandi tækis. Á þetta við um smáar sem stórar rafhlöður því jafnvel í rafmagnsbíl er keppikefli að rafhlaðan taki sem minnst pláss á meðan hún skilar nægu afli.

Efnafræðin 
Í sem fæstum orðum er virkni líþíum-jóna rafhlöðu þannig að í notkunn þá flyst líþíum frá anóðu til katóðu og við hleðslu fer líþíum frá katóðu til anóðu. Til að þetta gerist þurfa þær aðstæður að vera til staðar í rafhlöðunni að rafeindir getir borist inn í það afmarkaða umhverfi sem rafhlaðan er.

Eftirfarandi efnaferli eiga sér stað í þessu ferli og eru þau sýnd í einingunni mól en það gerir það mögulegt að nota gildið x sem stuðul.

Hálfhvarfið í katóðunni er eftirfarandi:

 LiCoO2  ↔  Li1-xCoO2 + xLi+ + x℮-

Hálfhvarf í anóðunni er á þennan hátt:

 xLi+ + x℮- + 6C  ↔  LixC6

Þetta er hið venjulega ferli en þess utan geta önnur feli farið í gang til dæmis við ofhleðslu eða ofnotkunn.

Eftirfarandi ferli á við þegar ofnotkunn ofmettar líþíum kóbalt oxíð þannig að til verður líþíum oxíð en það ferli er óafturkræft.

 Li+ + ℮- + LiCoO2  →  Li2O2 + CoO

Að sama skapi getur ofhleðsla upp að 5.2 Volt leitt til annara efnaferla og hefur verið sýnt með rönkengeislum að ofhleðsla leiðir til samruna kóbalts (IV)oxíð.  Eftirfarandi ferli sýnir það:

 LiCoO2  →  Li+  +  CoO2

Í líþíum-jóna rafhlöðum er það kóbaltið sem flytur rafeindir til og frá katóðu og anóðu í forminu Co4+ til Co3+ og öfugt.

Kostir 
Þegar kostir líþíum-jóna rafhlaðna eru skoðaðir verður að hafa í huga að hinn mikli breytileiki í eiginleikum og útliti geta haft áhrif á hvað telst kostur og hvað ekki. Eins má segja að öryggisatriði eins og hitavörn, afhleðslulágmark, ofhleðsluvörn og þrýstingsvörn teljist til kosta en plássið sem þetta tekur frá hleðslugetunni teljist ókostur sem núllar hitt út.  

En samandregið eru kostirnir helst þessir:

 Líþíum-jóna rafhlöður eru mun léttari en sambærilegar rafhlöður.
 Mjög mikill breytileiki í stærð og gerð sem hentar hverju og einu tilfelli sem best.
 Sjálfsafhleðsla er mjög lág eða um 5-10% á mánuði sem er hverfandi miða við sambærilegar rafhlöður.
 Straumrásin er mjög opin sem þýðir mikla orkuflutninga á lágum straum.
 Líþíum-jóna rafhlöður eru umhverfinu hagstæðar, bæði vegna þess að líþíum málmurinn er allur bundinn og eins vegna þess að sömu rafhlöðurnar eru notaðar aftur og aftur.
 Lítill viðhaldskostnaður og þar sem rafhlaðan þarf ekki að byggja upp hleðslugetu er ekki krafist lágmarks afhleðslu.

Gallar 
 Með tímanum fækkar þeim rafeindum sem flytjast frá katóðu til anóðu og öfugt, þegar flutningsplássin festast sem eins konar útfelling inni í rafhlöðunni.  Vandamálið lýsir sér í því að hleðslugetan minnkar með tímanum og því meira sem spennan er hærri.
 Hækkandi hiti á rafhlöðu og hátt hleðslustig hraða minnkandi hleðslugetu.
 Krefst verndaðar rafrásar til að halda straum og spennu innan marka.
 Hár framleiðslukostnaður og töluvert hærri en hjá öðrum tegundum.
 Í líþíum-jóna rafhlöðu eru mörg og margbreytileg efni sem breytast með tímanum og eins og sagan sagði er ekki komin löng reynsla á núverandi útgáfu. Líþíum-jóna rafhlaðan gæti því átt eftir að þróast enn frekar með lengri reynslu.
 Raðtenging margra minni rafhlaðna gefur meiri virkni og afköst heldur en ein stór rafhlaða en það gerir meira umfang sem er óhagstætt þegar talað er um stór tæki eins og bíla.

Hleðslan 
Við hleðslu er straumurinn neyddur til að fara í öfuga átt miða við það þegar rafhlaðan er í notkunn. Við það flytjast líðíum-jónirnar frá katóðu til anóðu og setjast þar í þar til gerð innskot sem hleðsla og bíða notkunnar. Fækki þessum innskotum minnkar hleðslugetan og notkunnartíminn í kjölfarið minnkar. Við notkunn eru þessar líþíum-jónir leystar úr innskotunum og þær skjótast aftur til katóðunnar og bíða þess að flytja nýja hleðslu til anóðunnar. Þannig gengur ferlið sífellt áfram.

Heimildir 
 
 Buchmann, I. (án dags.). batteryuniversity.com/learn/article. Sótt 29. mars 2012 frá batteryuniversity.com: http://batteryuniversity.com/learn/article/is_lithium_ion_the_ideal_battery

Rafhlöður