woensdag 30 januari 2013

Li-ion batterijen zijn niet altijd probleemloos

Ik heb net [ met succes ;-) ] een cursus “mecanicien elektrische fietsen” achter de rug.
En wat mij daar zeer duidelijk werd gemaakt is hoe belangrijk (en hoe duur!) de batterijen van zo’n tweewieler wel zijn.
Tegenwoordig zijn dat lithium-ion (Li-ion) batterijen en zo hier en daar al eens een nog duurdere lithium-polymeer (Lipo) batterij.
De keuze voor Li-verbindingen als basismateriaal in batterijen heeft te maken met het feit dat Li op zichzelf een erg lichte atoomsoort is: de derde lichtste van alle in de natuur voorkomende atoomsoorten.
Wie zich nog iets van zijn scheikundelessen herinnert, weet misschien nog dat Li links bovenaan in de “Tabel van Mendelejev” terug te vinden is.
Bij de metalen, op nummer 3, bij de lichtgewichten onder de chemische elementen:

image

En als het atoom Li licht is, zullen Li-verbindingen natuurlijk ook lichter zijn dan verbindingen van een ander metaal.
En dat is cruciaal, want in laptops, gsm’s, tablets, smartphones,… speelt de vermindering van het gewicht een belangrijke rol: niemand wil een iPhone van 500g in zijn broekzak voelen.
Maar ook bij elektrische fietsen, in elektrische auto’s en in… vliegtuigen is gewichtsvermindering een belangrijk element om bijvoorbeeld de actieradius en/of het energieverbruik te verminderen.
Batterijen op basis van Li-verbindingen, zijn niet alleen zeer licht, ze hebben ook nog eens een hoge energiedichtheid. Dit wil zeggen dat ze per volume-eenheid veel energie kunnen opnemen en dus ook afleveren.
De keuze voor Li-ion batterijen heeft dus veel voordelen.

Zo’n Li-ion batterij bestaat uit een reeks in serie en in parallel geschakelde Li-ion cellen.
Zo’n cel bestaat, zoals elke batterijcel, uit twee elektroden (een anode en een kathode) gedompeld in een geschikt elektrolyt en van elkaar gescheiden door een wand die poreus is voor Li-ionen (Li+).
Die ionen verplaatsen zich tijdens het laden en ontladen tussen de elektroden.
Ten gevolge van de chemische reacties die zich in het elektrodemateriaal afspelen, verplaatsen zich in de uitwendige kring elektronen: er loopt dus een elektrische stroom.
Bij het ontladen loopt er een stoom die nuttig kan gebruikt worden in een toestel.
Bij het laden loopt er een laadstroom:

image

Maar bij het laadproces moet er goed voor gezorgd worden, dat zo’n cellen niet overladen worden.
D.w.z. dat de spanning van niet te ver boven de normale 3,7V wordt opgejaagd.
Want dan kan de temperatuur binnen elke cel en dus ook binnen de batterij hoog oplopen.
En bij hoge temperatuur kunnen er problemen ontstaan met het elektrolyt, de vloeistof waarin de Li-ionen in zo’n cel bewegen (zie figuur hierboven).
Die elektrolyten zijn immers Li-zouten opgelost in organische oplosmiddelen zoals etheencarbonaat en ethylmethylcarbonaat. En die organische oplosmiddelen kunnen bij te hoge temperatuur ontbinden en/of ontvlammen, waardoor gassen ontstaan die uiteindelijk de cellen kunnen doen ontploffen.

Dit onheil kan normaal vermeden worden, omdat het laadproces van zo’n Li-ion batterij gecontroleerd wordt een elektronische schakeling: het Batterij Management System (BMS).
Maar soms kan zo’n BMS wel eens de mist in gaan en dan zijn er problemen te verwachten.
Er zijn inderdaad gevallen bekend van ontplofte Li-ion batterijen bij laptops.
Maar erger wordt het wanneer zich zoiets voordoet bij Li-ion batterijen die gebruikt worden in vliegtuigen!
En dat was onlangs het geval met de Boeing’s nieuwe paradepaardje de 787 Dreamliner, waardoor die voorlopig aan de grond moeten blijven tot er een oplossing voor het probleem van de batterij-explosies gevonden is. Er wordt ook druk naar nieuwe beveiligingssystemen voor Li-ion batterijen gezocht.

Over ontplofte fietsbatterijen heb ik tot nu toe nog niet gehoord…

Geen opmerkingen:

Een reactie plaatsen