Basisprincipes van batterijen
Oplaadbare batterijcellen slaan energie chemisch op en geven die als elektriciteit af door geladen ionen tussen twee elektroden te verplaatsen, terwijl elektronen door een externe stroomkring lopen. De meeste EV's gebruiken lithium-ioncellen; natrium-ioncellen werken volgens een vergelijkbaar principe, maar gebruiken andere materialen en ladingsdragende ionen.
Van cel tot accupakket
Een cel is de kleinste complete elektrochemische eenheid voor energieopslag. Eén cel levert normaal slechts enkele volts, zodat een EV veel cellen met elkaar verbindt om de vereiste spanning en energie te verkrijgen.
Cellen kunnen worden samengevoegd tot modules, die vervolgens in een accupakket worden geplaatst. Sommige nieuwere pakketten plaatsen de cellen rechtstreeks in de pakketstructuur, zonder conventionele modulebehuizingen.
Het complete pakket bevat ook elektrische verbindingen, koel- of verwarmingshardware, sensoren, contactoren, zekeringen, een beschermende behuizing en een batterijmanagementsysteem.
Het hoofdstuk Accupakket en configuratie legt uit hoe de cellen elektrisch en fysiek worden geïntegreerd.
Wat zit er in een batterijcel?
Een conventionele lithium-ioncel heeft vijf hoofdtypen componenten:
- Een negatieve elektrode
- Een positieve elektrode
- Een elektrolyt
- Een separator
- Stroomcollectoren voor beide elektroden
De negatieve elektrode wordt doorgaans de anode genoemd en de positieve elektrode de kathode. Deze namen beschrijven hun rol tijdens het ontladen. In vakliteratuur worden dezelfde namen normaal ook bij het laden gebruikt.
Negatieve elektrode
De negatieve elektrode slaat lithiumionen op wanneer de cel geladen is en geeft ze vrij wanneer de cel ontlaadt.
De meeste huidige lithium-ioncellen voor EV's gebruiken grafiet als voornaamste materiaal van de negatieve elektrode. Sommige voegen silicium toe om meer lithium te kunnen opslaan. Het lithium bevindt zich in het elektrodemateriaal en wordt niet als los metallisch lithium opgeslagen.
Positieve elektrode
De positieve elektrode geeft tijdens het laden lithiumionen af en neemt ze tijdens het ontladen weer op.
Het actieve materiaal ervan is een van de belangrijkste factoren die de celchemie bepalen. Veelvoorkomende kathodefamilies voor EV's zijn lithium-ijzerfosfaat (LFP), nikkel-mangaan-kobalt (NMC) en nikkel-kobalt-aluminium (NCA).
Het hoofdstuk Celchemie en componenten behandelt deze materialen en hun afwegingen uitgebreider.
Elektrolyt
De elektrolyt maakt de verplaatsing van ionen tussen de twee elektroden mogelijk.
De meeste huidige EV-cellen gebruiken een vloeibare elektrolyt met een lithiumzout dat in organische oplosmiddelen is opgelost. Andere ontwerpen kunnen gel-, halfvaste, polymere of vaste elektrolyten gebruiken.
De elektrolyt geleidt ionen binnen de cel. Elektronen horen juist door de externe elektrische stroomkring te lopen.
Separator
De separator is een dun, poreus membraan tussen de positieve en negatieve elektrode.
Hij voorkomt direct fysiek contact tussen de elektroden, wat interne kortsluiting zou kunnen veroorzaken. De microscopische poriën laten ionen nog steeds door de elektrolyt bewegen.
Stroomcollectoren
De actieve elektrodematerialen worden aangebracht op dunne geleidende folies, de stroomcollectoren. Deze folies vervoeren elektronen tussen de elektrodematerialen en de celpolen.
Conventionele lithium-ioncellen gebruiken normaal koperfolie aan de zijde van de negatieve elektrode en aluminiumfolie aan de zijde van de positieve elektrode. (U.S. Department of Energy)
Hoe ontladen werkt
Tijdens het ontladen bewegen lithiumionen door de elektrolyt en separator van de negatieve naar de positieve elektrode.
Elektronen kunnen niet dezelfde interne route door de separator volgen. Ze lopen via de externe stroomkring van de negatieve naar de positieve pool. Deze elektronenstroom levert elektrische energie aan het voertuig. (U.S. Department of Energy)
Tijdens het ontladen:
- Geeft de negatieve elektrode lithiumionen af aan de elektrolyt
- Bewegen de ionen door de separator naar de positieve elektrode
- Verlaten elektronen de negatieve elektrode via de stroomcollector
- Lopen de elektronen door de externe stroomkring
- Neemt de positieve elektrode de terugkerende ionen en elektronen op
Een EV-batterij levert gelijkstroom. De vermogenselektronica van het voertuig regelt die energie en voert haar naar de elektromotor en andere hoogspanningssystemen.
Hoe laden werkt
Bij het laden bewegen ionen en elektronen in de omgekeerde richting.
Een externe stroombron onttrekt elektronen aan de positieve elektrode en voert ze via de elektrische stroomkring naar de negatieve elektrode. Tegelijk bewegen lithiumionen door de elektrolyt van de positieve terug naar de negatieve elektrode.
Tijdens het laden:
- Geeft de positieve elektrode lithiumionen af
- Bewegen de ionen door elektrolyt en separator
- Worden elektronen aan de positieve elektrode onttrokken
- Voert het laadsysteem elektronen naar de negatieve elektrode
- Slaat de negatieve elektrode de terugkerende lithiumionen op
- Wordt elektrische energie omgezet in opgeslagen chemische energie
Hetzelfde basisproces vindt plaats bij regeneratief remmen. De elektromotor werkt dan als generator en zet een deel van de bewegingsenergie van het voertuig om in elektrische energie die naar de batterij kan terugkeren.
De illustratie toont het gedeelde werkingsprincipe van lithium-ion- en natrium-ioncellen. Lithium-ioncellen verplaatsen Li⁺-ionen tussen de elektroden, terwijl natrium-ioncellen Na⁺-ionen verplaatsen. Hun elektrodematerialen, spanning, elektrolyt en gedetailleerde constructie verschillen.
Spanning, stroom, vermogen en energie
Deze begrippen beschrijven verschillende eigenschappen:
- Spanning (V) is het elektrische potentiaalverschil dat stroom door een stroomkring drijft.
- Stroomsterkte (A) beschrijft hoe snel elektrische lading stroomt.
- Vermogen (kW) beschrijft hoe snel de batterij energie levert of ontvangt.
- Capaciteit (Ah) beschrijft hoeveel elektrische lading een cel of batterij kan verplaatsen.
- Energie (kWh) beschrijft hoeveel elektrische arbeid de batterij kan leveren.
Elektrisch vermogen wordt berekend uit spanning en stroom:
Vermogen (kW) = Spanning (V) × Stroom (A) ÷ 1.000
De nominale energie van een batterij kan bij benadering worden berekend uit spanning en capaciteit in ampère-uur:
Energie (kWh) ≈ Nominale spanning (V) × Capaciteit (Ah) ÷ 1.000
Dit is een benadering, omdat de celspanning voortdurend verandert met laadtoestand, stroom, temperatuur en chemie.
Een batterij met veel energie kan een grote hoeveelheid opslaan, terwijl een batterij met veel vermogen die energie snel kan leveren of opnemen. Batterijontwerp vraagt vaak om een afweging tussen energiedichtheid, vermogen, laadsnelheid, levensduur, veiligheid, massa en kosten.
Celspanning en werkingslimieten
De spanning van een cel ontstaat uit het verschil in elektrochemische potentiaal tussen de materialen van de positieve en negatieve elektrode.
De spanning is niet constant. Ze verandert tijdens laden en ontladen, en het verloop hangt af van de chemie.
Typische nominale waarden zijn:
- Ongeveer 3,2 V voor een LFP-lithium-ioncel
- Ongeveer 3,6–3,7 V voor veel NMC- en NCA-lithium-ioncellen
Nominale spanning is een representatieve waarde voor berekeningen en vergelijkingen. De werkelijke celspanning beweegt door een breder werkbereik.
Elk celontwerp heeft een boven- en ondergrens voor de spanning. Laden boven het toegestane maximum of ontladen onder het minimum kan de cel beschadigen, degradatie versnellen of een veiligheidsrisico veroorzaken.
Het batterijmanagementsysteem bewaakt de celspanning en houdt de batterij binnen het toegestane werkvenster. Het houdt ook rekening met stroom, temperatuur, laadtoestand en verschillen tussen cellen.
Lithium-ion en natrium-ion
Lithium-ion- en natrium-ioncellen verplaatsen beide positief geladen ionen tussen twee elektroden, maar het zijn geen uitwisselbare technologieën.
Lithium-ioncellen verplaatsen lithiumionen, geschreven als Li⁺. Natrium-ioncellen verplaatsen natriumionen, geschreven als Na⁺. Natriumionen zijn groter en reageren anders met elektrodematerialen, waardoor specifiek voor natrium ontwikkelde materialen en ontwerpen nodig zijn.
De meeste lithium-ioncellen gebruiken negatieve elektroden op grafietbasis. Natrium-ioncellen gebruiken doorgaans hard koolstof. Ook positieve-elektrodematerialen, spanning, energiedichtheid, temperatuurgedrag, kosten en toeleveringsketens verschillen.
Het werkingsprincipe is dus vergelijkbaar, maar de resulterende celeigenschappen kunnen aanzienlijk verschillen.
Waarom een deel van de energie warmte wordt
Laden en ontladen zijn niet volkomen efficiënt. Elke cel heeft elektrische en elektrochemische weerstand, waardoor een deel van de energie in warmte wordt omgezet.
Weerstand en warmteontwikkeling hangen onder meer af van:
- Celchemie en constructie
- Batterijtemperatuur
- Laadtoestand
- Laad- of ontlaadstroom
- Leeftijd en toestand van de cel
Een hogere stroom veroorzaakt normaal meer warmte. Een lage temperatuur kan de weerstand eveneens verhogen en het vermogen om te laden of energie te leveren beperken.
Deze effecten verklaren waarom een EV thermisch beheer nodig heeft en waarom laadvermogen, regeneratief remmen en acceleratie kunnen worden beperkt wanneer de batterij erg koud, heet, bijna vol of bijna leeg is.
Voor een diepere technische uitleg van de werking van lithium-ioncellen biedt deze video van The Limiting Factor een nuttige visuele toelichting.