Werking lithium-ioncel: de elektrochemie uitgelegd

Een lithium-ioncel slaat energie op door lithium-ionen te verplaatsen tussen twee elektroden. Bij ontladen stromen ionen van de anode naar de kathode, bij laden gebeurt het omgekeerde. Dit artikel legt elk onderdeel en proces helder uit.

De bouwstenen: anode, kathode en elektrolyt

Een lithium-ioncel heeft drie belangrijke onderdelen: een negatieve elektrode (anode), een positieve elektrode (kathode) en een elektrolyt. De anode is meestal gemaakt van grafiet, waar lithium-ionen tussen de koolstoflagen kunnen schuiven. De kathode is vaak een lithium-metaaloxide, zoals lithium-kobaltoxide (LiCoO₂) of lithium-ijzerfosfaat (LiFePO₄). De elektrolyt is een vloeistof of gel die lithium-ionen geleidt, maar geen elektronen. Een dunne separator voorkomt kortsluiting tussen de elektroden.

De cel is volledig afgesloten en bevat doorgaans een veiligheidscircuit. De keuze van materialen beïnvloedt de energiedichtheid, levensduur en veiligheid. Zo heeft LiFePO₄ een lagere energiedichtheid maar is thermisch stabieler dan bijvoorbeeld LiCoO₂.

Ontladen: van chemische naar elektrische energie

Bij ontladen willen de lithium-ionen zich verplaatsen van de anode naar de kathode. Aan de anode vindt oxidatie plaats: lithiumatomen geven een elektron af en worden positief geladen ionen. Deze ionen bewegen door de elektrolyt naar de kathode. De elektronen kunnen de elektrolyt niet passeren en worden via een externe stroomkring naar de kathode geleid. Deze elektronenstroom levert elektrische energie aan bijvoorbeeld de motor van een EV.

Bij de kathode worden de lithium-ionen en elektronen weer gecombineerd in het kristalrooster van het kathodemateriaal. De celspanning is typisch 3,6 tot 4,2 volt, afhankelijk van de materiaalcombinatie. Hoe sneller de ionen kunnen bewegen, hoe hoger de ontlaadstroom mogelijk is.

Laden: energie toevoegen, ionen terugplaatsen

Tijdens het laden wordt een externe spanning aangelegd die hoger is dan de celspanning. De elektronen worden van de kathode naar de anode gedwongen, waardoor er een tekort aan elektronen ontstaat. Tegelijkertijd verplaatsen lithium-ionen zich door de elektrolyt naar de anode, waar ze ingebed worden in het grafiet.

Dit proces is niet volledig efficiënt: een deel van de energie gaat verloren als warmte. Bij een snellader is de laadstroom hoog, waardoor de interne weerstand meer warmte genereert. Het laadproces verloopt doorgaans in twee fasen: eerst een constante stroom (CC), daarna een constante spanning (CV) waarbij de stroom afneemt. Dit beschermt de cel tegen overladen en oververhitting.

De rol van de separator en veiligheidscircuits

De separator is een poreus membraan dat de anode en kathode fysiek scheidt. Het is cruciaal dat lithium-ionen erdoor kunnen, maar elektronen niet. Polypropyleen en polyethyleen zijn veelgebruikte materialen. Bij oververhitting kan de separator smelten of zich sluiten, waardoor de ionenstroom stopt en de cel veilig wordt.

Elke cel heeft ook een beveiligingscircuit dat de spanning, stroom en temperatuur bewaakt. Als een waarde buiten het veilige bereik komt, wordt de cel afgeschakeld. Dit voorkomt bijvoorbeeld thermische runaway, een kettingreactie die kan leiden tot brand.

Chemische reacties in evenwicht: de wet van Faraday

De hoeveelheid lading die een accu kan leveren, is rechtevenredig met de massa van de actieve materialen. Volgens de wet van Faraday geldt: 1 mol lithium-ionen transporteert één mol elektronen, wat overeenkomt met 26,8 Ah. In de praktijk wordt de capaciteit beperkt door de structuur van het materiaal en de diffusiesnelheid van de ionen.

De maximale theoretische capaciteit van grafiet is 372 mAh/g, maar in de praktijk wordt circa 350 mAh/g gehaald. De kathodematerialen hebben lagere capaciteiten. Een cel met een energiedichtheid van 250 Wh/kg kan bijvoorbeeld circa 500 Wh energie leveren bij een gewicht van 2 kg.

Veelgestelde vragen

Waarom gaan lithium-ioncellen na verloop van tijd achteruit?

Elke laad-ontlaadcyclus veroorzaakt kleine structurele veranderingen in de elektroden, zoals het verlies van lithiumionen door nevenreacties. Ook kan de elektrolyt degraderen. Dit leidt tot een lagere capaciteit en hogere interne weerstand.

Wat is het verschil tussen een lithium-ioncel en een lithium-polymeercel?

Een lithium-polymeercel gebruikt een vast of gelachtig polymeer als elektrolyt in plaats van een vloeistof. Dit maakt dunnere en flexibelere cellen mogelijk, maar de prestaties zijn vergelijkbaar. In de praktijk worden de termen vaak door elkaar gebruikt.

Kan ik een lithium-ioncel volledig leeg laten lopen?

Nee, een diepe ontlading kan de cel beschadigen en tot een blijvende capaciteitsvermindering leiden. De meeste accumanagementsystemen schakelen de cel uit bij een minimale spanning van circa 2,5 tot 3,0 volt.