Referat fra medlemsmøte 21 nov. 2018 Batterier del 1 v/LA7XQ – Steinar

Publisert av

I formannens fravær ble møtet åpnet av kassereren LA3PK, Jan.

Batterier er et meget relevant tema ikke minst nå som det kommer stadig flere batteridrevne biler på markedet. Oslogruppen har derfor over lengere tid vært på jakt etter en foredragsholder som kunne belyse dette temaet. Og vi er takknemlig for at Steinar nå sa seg villig til å stille opp.

De fleste bilbatteriene produseres i Asia basert på Litium utvinnet i Sør Amerika. Unntaket er Tesla som har en egen batterifabrikk i USA. 

Steinars foredrag vil kunne danne grunnlaget for en lærebok om batterier med tilhørende fysikk, som ville blitt for omfattende å gjengi her. Vi nøyer oss derfor med å angi temaene som ble behandlet:

  • Batterier med ulike egenskaper
  • Hva er et egentlig et batteri? Oversikt mot andre lagringstyper: (Super)kondensatorer og brenselsceller
  • «Specific power» og «Specific energy» og forskjellene på disse
  • Hvordan ser «det ideelle» batteri ut? Hvilke parameter egenskaper er vi ute etter?
  • Litt grunnleggende fysikk med atomer, molekyler, isotoper, elektroner og ione vandring. Protoner, nøytroner og elektroners betydning i grunnstoffene. Kjernekraft ved hjelp av nøytronene binder protonene i kjernen. Forskjellen på grunnstoff og elementærpartikler ble belyst.
  • Anode, katode, separasjonsmaterialer.  Oksydasjon og reduksjon.
  • Typiske grunnstoff anvendt i anode, katode og separasjonsmedium i nyere (Li) type batterier
  • Mange «hemmeligheter» kan leses direkte ut fra det periodiske system (Table of elements delt ut).
  • Vi bygger enkle atomer: H,He,Li. Elektronskall, videre vist molekyloppbygging av H2O, isotopen deuterium anvendt i D2O (tungt vann), samt molekyloppbygging av metangass CH4 (naturgass)
  • Fysikkens 4 materie-typer: “solid state, liquid, gas and plasma”. De to første viktig for batterier
  • Fysikkens 4 konserveringslover: energi, ladning, skalar moment og vinkel moment. De to første viktige
  • Kort presentasjon av typiske grunnstoff elementer som inngår i moderne batterier: Li, Co, Mn, Al, Ti, C
  • Grafitt og dets bruk som anodemateriale i Li-ion batterier og grunnen til at dette stoff brukes
  • Polymer? Eksempler på ulike polymerer, både syntetiske- og biopolymerer.  Intro til LiPo batterier
  • Units and conversions (Ws <—> Ah, kWh, Wh, J , C etc)
  • Internasjonale batteribegrep
  • Nom. and operating voltage
  • Cut off voltage og “life” span
  • Charge and discharge levels and times
  • TR precaution, Kelvin scale
  • Seriekopling av celler for nominell 12V’s bruk for radioamatør-utstyr. Se på mulige spennings-steg

Etter anmodning fra Lewi LA4CIA hadde LA7XQ satt opp en tabell som sammenligner egenskapene for de ulike litium batteriene:

Chemical

LiCoO2

LiMn2O4

LiNiMnCoO2

LiFePO4

LiNiCoAlO2

Li4Ti5O12

Nickname

LCO

LMO

NMC,NCM,

LFP,LiIth. Iron

NCA

LTO

First year, approx.

1991

1996

1996

1996

1999

  

Anode

C (graphite)(-)

C (graphite)(-)

C (graphite)(-)

C (graphite)(-)

C (graphite)(-)

C (graphite)(-)

Cathode

as chemical(+)

as chemical(+)

as chemical(+)

as chemical(+)

as chemical(+)

as chemical(+)

voltage,nom[V]

3,6

3.7 – 3.8

3.6 – 3.7

3.2 – 3.3

3,6

2,4

voltage,op[V]

3.0 – 4.2

3.0 – 4.2

3.0 – 4.2

2.5 – 3.65

3.0 – 4.2 V

1.8-2.85

Charge

0.7 – 1.0 C, charge to 4.2V(most cells)

0.7-1.C, 3C max,charge to 4.2V (most cells)

0.7-1.0C, charge to 4.2V,some to 4.3V

1C typical, charge to 3.65V

0.7C, charge to 4.2V (most cells)

1C typical, 5C max, charge to 2.85 V

Discharge

1C, >1C shortens life

1C, 10C possible with some cells

1C, 2C possible on some cells

1C, 25C on some cells, up to 40A (2s)

1C typical, but high discharge rate possible-→reduces life

10C possible, 30C 5s pulse

Cut off voltage[V]

2,5

2,5

2,5

2.5, <2 reach sudden damage

3,00

1,8

Charge time

~3h typical

  

~3h typical

~3h typical

~3h, but fast charge possible

  

Sp.energy[Wh/kg]

150 – 200, some up to 240

100 – 150

150 – 220

90 – 120

200 – 260, 300 soon

~240

Life Span, decrease on discharge and temp.

500-1000

300-700

1000 – 2000

1000 – 2000

~500 relates to depth of discharge and temp.

3000 – 7000

Thermal Runaway, TR[degree K]

423

523

483

543

423

High, one of the safest

TR precaution

full charge promotes TR

High C promotes TR

>1C shortens battery life

      

Cost [$ /kWh], [Aachen], expect changes

    

~420

~580

~350

~1005

Application

cellular,tables,Laptops,Camera

Power tools, some el.powertrains

E bikes, medical, EV

those in needs of high current and endurance

Medical,Auto m(Tesla)

UPS,el.powertrain,solar-powered street lights

Special remarks

Very high sp.energy

Safer than LiCoO2

High capacity and high power.

High safety even if fully charged, but low sp.energy

One of the highest sp.energy (2017), downside: low TR

high(est) safety, require different charge circuits

Popularity

stable

  

Increasing. For many favorite chemistry

Very flat voltage discharging curve,Increasing popularity 2015-

Still quite expensive, but auto industry drives lower price

Long life,fast charge,wide temp range, but low sp. Energy and high cost

Vi fikk også utdelt en oversikt som viser hvorledes litium ion batterienes levetid kan forlenges:

  • Benytt en dedikert Li-Ion lader for (rett type) Li-Ion batterier
  • Lagre helst i temperaturområdet 20-25 grader C
  • Bruk heller trinnvis opp/utladning fremfor dype opp/ut ladninger
  • Ikke utlad under «cut off voltage». Dette ødelegger batteriene.
  • Lang batteri-lagring bør gjøres med 40% oppladning på et kjølig, tørt sted.
  • Kapasiteten reduseres ved lave temperaturer
  • Ikke lad med veldig høy strøm når det er kjølig
  • Levetiden forlenges ikke ved lagring, så kjøp heller ett stort batteri istedenfor flere reservebatterier
  • Dårlige celler bør erstattes med friske, særlig i en seriekobling
  • Ikke lad et frossent batteri
  • Ikke utsette en Li-Ion celle for stor mekanisk påkjenning eller høy temperatur

Oslogruppen er takknemlig for at fysikeren Steinar LA7XQ deler sine kunnskaper og erfaringer med oss, og vi ser frem til kurskveld nr. 2

Jan LA3PK