A lítium - ion akkumulátor (Li-ion) egy olyan típusú elektromos akkumulátor , amelyet széles körben használnak a modern fogyasztói elektronikában , és elektromos járművek áramforrásakéntés energiatároló rendszerek energiatároló eszközeként használják. Ez a legnépszerűbb akkumulátortípus olyan eszközökben, mint a mobiltelefonok , laptopok , digitális fényképezőgépek , videokamerák és elektromos járművek . 2019-ben Whittingham, Goodenough és Yoshino kémiai Nobel-díjat kapott a lítium-ion akkumulátorok fejlesztéséért.
Michael Stanley Whittingham 1970-ben mutatta be először a lítium-akkumulátorok létrehozásának alapvető lehetőségét, amely azon alapul, hogy a titán -diszulfid vagy molibdén-diszulfid képes lítiumionokat bevonni az akkumulátor kisülése során, és kivonni azokat a töltés során . Az ilyen akkumulátorok jelentős hátránya az alacsony feszültség - 2,3 V és a magas tűzveszély az elektródákat lezáró lítium-fém dendritek képződése miatt.
Később J. Goodenough más anyagokat is szintetizált egy lítium akkumulátor katódjához - lítium-kobaltit Li x CoO 2 (1980), lítium-ferrofoszfát LiFePO 4 (1996). Az ilyen akkumulátorok előnye a magasabb feszültség - körülbelül 4 V.
A lítium-ion akkumulátor modern változatát grafit anóddal és lítium-kobaltit katóddal Akira Yoshino találta fel 1991-ben . Az első szabadalma szerinti lítium-ion akkumulátort a Sony Corporation adta ki 1991 -ben .
Jelenleg kutatások folynak olyan szilícium- és foszforalapú anyagok felkutatására, amelyek nagyobb kapacitást biztosítanak a lítium-ionok interkalációjához, és a lítiumionokat nátriumionokkal helyettesíthetik .
Más tanulmányok csökkentik az öregedés hatását és növelik az élettartamot. Például a bisz-imino-acenaftenequinon-parafenilén (Bisz-imino-acenaftenekvinon-parafenilén, BP) használatával 1700 töltési ciklus után is megtakarítható az akkumulátor kapacitásának 95 százaléka. [1] [2]
Whittingham, Goodenough és Yoshino 2019 - ben megkapta a kémiai Nobel-díjat "lítium-ion akkumulátorok fejlesztéséért".
A kémiai összetételtől és az eszköztől függően a lítium-ion akkumulátorokat olyan típusokra osztják, amelyek fogyasztói minőségükben nagymértékben különböznek egymástól.
Ez a fajta rendelkezik a legnagyobb kapacitással, de igényes a munkakörülményekre, és nagyon korlátozott erőforrásokkal rendelkezik. Az üzemi feszültség tartománya 3 és 4,2 V között van. A legnagyobb fajlagos energiafogyasztás 250 Wh/kg-ig, a kisülési csúcsáram legfeljebb két kapacitás (azaz egy 2 Ah-s akkumulátor megengedett áramerőssége 4 A) , a hosszú távú kisülési áram nem több, mint egy tartály.
Az akkumulátor hosszú távú tárolási hőmérséklete -5°C 40-50%-os töltöttség mellett. A lítium-kobalt akkumulátorok robbanásveszélyesek, és túlmelegedés vagy mélykisülés esetén meggyulladhatnak. Ezen okokból kifolyólag általában védőtáblával vannak felszerelve, és a Protected felirattal vannak ellátva. Kisülési feszültség - nem alacsonyabb, mint 3 V. Robbanásveszélyes, ha a ház megsérül, gyorsan öregszik (átlagos élettartam - 3-5 év, "töltés-kisütés" ciklusokban - legfeljebb 500). A nagyáramú töltés nem kívánatos. Gyulladás esetén rendkívül mérgező.
A kobaltnál tartósabb és biztonságosabb, a nagyáramú töltés elfogadható. Üzemi feszültség tartomány - 2,5-4,2 V Fajlagos energiafogyasztás - 140-150 Wh / kg. Erőforrás - körülbelül 5-6 év - akár 1000 töltési-kisütési ciklus. Nagy áram terhelés alatt - akár 5 kapacitás. A kisülési határ 2,5 V, azonban az erőforrás csökkenése lehetséges. Az INR akkumulátorok ritkán rendelkeznek védőlappal, de a töltőáramkör mindig feszültségkorlátozott. -10 °C alatt üzemképtelen. Használata elég biztonságos, ne robbanjon fel vagy gyulladjon meg. Alacsony önkisülésük van.
A legújabb generáció a legnagyobb erőforrással. Az üzemi feszültség tartománya 2-3,65 V, a névleges feszültség 3,2 V. A fajlagos energiafogyasztás körülbelül 150 Wh/kg. Erőforrás - 10-20 év, körülbelül 1500-3000 töltési-kisütési ciklus (enyhe körülmények között akár 8000). A nagy terhelési áram (akár 10 kapacitásig) és a stabil kisülési feszültség ideális elektromos járművekhez, roverekhez, kerékpárokhoz és hasonló alkalmazásokhoz. Az alsó feszültséghatár (2 V) közelében lévő kisülés csökkentheti az erőforrást. A nagyáramú biztonsági töltés megengedett. A legsúlyosabb üzemi körülmények között nem bocsátanak ki gázt, nem robbannak fel és nem gyulladnak meg.
Legnagyobb tartósság és széles üzemi hőmérséklet-tartomány. Üzemi feszültség tartomány és 1,6-2,7 V, névleges feszültség - 2,3 V. Fajlagos energiafogyasztás - körülbelül 100 Wh / kg. Erőforrás - több mint 15 000 töltési-kisütési ciklus. Hőmérséklet-tartomány -30 °C és +60 °C között. Nagyon alacsony az ellenállása, ami lehetővé teszi az ultragyors töltés használatát, és alacsony az önkisülése, körülbelül napi 0,02%.
Az elemek fő mutatói a kémiai összetételtől függően a következő határokon belül vannak:
Szinte mindig egy vezérlő (vagy PCM-kártya ( angolul Protection Circuit Module )) van beépítve az akkumulátorházba, amely vezérli a töltést, és megvédi az akkumulátort a túltöltéstől, a túlkisüléstől és a túlmelegedéstől, ami idő előtti leromláshoz vagy tönkremenetelhez vezet. . Ezenkívül ez a vezérlő korlátozza az áramfelvételt, véd a rövidzárlat ellen . Ne feledje azonban, hogy nem minden akkumulátor védett. A gyártók nem telepíthetik a költség, a súly csökkentése érdekében, és a beépített védelmi vezérlővel rendelkező eszközökben az akkumulátorok (például laptopok) beépített védőkártya nélküli akkumulátorokat használnak [7] .
A lítium akkumulátorok különleges követelményeket támasztanak több cella sorba kapcsolásakor . Az ilyen többcellás akkumulátorok töltői vagy maguk az akkumulátorok cellakiegyenlítő áramkörrel vannak ellátva. A kiegyenlítés lényege, hogy a cellák elektromos tulajdonságai kissé eltérhetnek, és egyes cellák előbb érik el a teljes feltöltést/kisülést, mint mások. Ugyanakkor le kell állítani ennek a cellának a töltését, miközben folytatni kell a többi töltését, mivel a lítium-ion akkumulátorok túltöltése vagy túltöltése letiltja azokat. Ezt a funkciót egy speciális csomópont - egy balancer (vagy BMS-board ( angol Battery Management System ) [8] ) látja el. A töltött cellát söntöli úgy, hogy a töltőáram túlhaladjon rajta. A kiegyenlítők egyszerre látják el a védőtábla funkcióját az egyes akkumulátorok és az akkumulátor egésze tekintetében [9] [10] .
A töltők 4,15-4,25 V közötti végső töltési feszültséget támogatnak.
Léteznek AA és AAA méretű, 1,5 V feszültségű lítium-ion és lítium-polimer akkumulátorok. Nemcsak védőáramkörük van, hanem beépített elektronikus feszültség-átalakító is ( angol. DC-DC konverter ). Az ilyen akkumulátorok közötti különbség az 1,5 V-os érintkezők stabilizált feszültsége, függetlenül az akkumulátorcella üzemi feszültségétől és pillanatnyi nullázásától, amikor a lítium cella a megengedett alsó határig kisül, és a túlkisülés elleni védelem aktiválódik. Ezek az akkumulátorok összetéveszthetők a hasonló méretű 14500 és 10440 3,7 V-os akkumulátorokkal, valamint a nem újratölthető, eldobható lítium akkumulátorokkal . Mindegyik másképp van megjelölve.
A lítium-ion akkumulátor elektródákból áll (alumínium fólián katód és rézfólián anód anyag), amelyeket elektrolittal impregnált porózus szeparátor választ el egymástól. Az elektródák csomagját lezárt tokban helyezzük el, a katódokat és az anódokat az áramkollektor kapcsaira kötjük. A karosszéria néha biztonsági szeleppel van felszerelve, amely vészhelyzet vagy az üzemi feltételek megsértése esetén enyhíti a belső nyomást. A lítium-ion akkumulátorok különböznek a használt katódanyag típusától. A lítium-ion akkumulátor töltéshordozója egy pozitív töltésű lítium-ion, amely képes más anyagok kristályrácsába (például grafittá, oxidokká és fémsókká) beépülni (interkalálódni) vegyi anyag képződésével. kötés például: grafitba a fémek LiC 6 , oxidjai (LiMnO 2 ) és sói (LiMn R O N ) képződésével.
Kezdetben lítium fémet használtak negatív lemezként , majd szénkokszként . Később elkezdték használni a grafitot . A kobalt-oxidok használata lehetővé teszi, hogy az akkumulátorok sokkal alacsonyabb hőmérsékleten működjenek, és növeli egy akkumulátor kisülési/töltési ciklusának számát. A lítium-vas-foszfát akkumulátorok elterjedése viszonylag alacsony költségüknek köszönhető. A lítium-ion akkumulátorokat egy készletben használják felügyelő- és vezérlőrendszerrel - SKU vagy BMS (akkumulátorkezelő rendszer) - és speciális töltő-/kisütési eszközzel.
A lítium-ion akkumulátorok tömeggyártásához jelenleg három katódosztályt használnak:
Lítium-ion akkumulátorok elektrokémiai áramkörei:
Az alacsony önkisülés és a nagyszámú töltési/kisütési ciklus miatt a Li-ion akkumulátorokat leginkább alternatív energiaforrásként használják. Ugyanakkor az I&C rendszeren kívül inverterekkel (feszültségátalakítókkal) is fel vannak szerelve.
Az általánosan használt lítium-ion akkumulátorok gyakran rendkívül gyúlékonyak, ha túl vannak töltve, nem megfelelően vannak feltöltve vagy mechanikusan sérültek.
Az első generációs Li-ion akkumulátorok robbanásveszélyesek voltak. Ezt azzal magyarázták, hogy fém lítiumból készült anódot használtak, amelyen többszöri töltési/kisütési ciklusok során térbeli képződmények ( dendritek ) jelentek meg, amelyek az elektródák rövidzárlatához, és ennek következtében tüzet vagy robbanáshoz vezettek. . Ezt a hiányosságot végül az anód anyagának grafittal való helyettesítésével küszöbölték ki. Hasonló folyamatok zajlottak le a kobalt-oxid alapú lítium-ion akkumulátorok katódjain is, amikor az üzemi feltételeket megsértették (újratöltés). A lítium-ferro-foszfát akkumulátorok teljesen mentesek ezektől a hiányosságoktól.
A lítium akkumulátorok esetenként hajlamosak robbanásveszélyes spontán égésre. [18] [19] [20] Az égés intenzitása még miniatűr akkumulátorokból is olyan mértékű, hogy az súlyos következményekkel járhat. [21] A légitársaságok és a nemzetközi szervezetek intézkedéseket hoznak a lítium akkumulátorok és eszközök légi közlekedésben történő szállításának korlátozására. [22] [23]
A lítium akkumulátor spontán égését hagyományos eszközökkel nagyon nehéz eloltani. A hibás vagy sérült akkumulátor termikus gyorsítása során nemcsak a tárolt elektromos energia szabadul fel, hanem számos kémiai reakció is, amelyek során az égést elősegítő anyagok, az elektrolitból éghető gázok szabadulnak fel [24] , valamint nem LiFePO4 elektródák esete [25] , oxigén. Ezért a fellángolt akkumulátor levegőhöz jutás nélkül is képes égni, és a légköri oxigéntől való elszigetelés nem alkalmas az oltásra. Ezenkívül a fém lítium aktívan reagál a vízzel, és éghető hidrogéngázt képez, ezért a lítium akkumulátorok vízzel való oltása csak azoknál az akkumulátortípusoknál hatékony, ahol a lítium elektróda tömege kicsi. Általánosságban elmondható, hogy a lítiumelemek tüzének oltása nem hatékony. Az oltás célja csak az akkumulátor hőmérsékletének csökkentése és a lángok terjedésének megakadályozása lehet [26] [27] [28] .
Hagyományosan úgy gondolták, hogy a Ni-Cd- és Ni-MH akkumulátorokkal ellentétben a Li-Ion akkumulátorok teljesen mentesek a memóriaeffektustól . A Paul Scherer Intézet (Svájc) tudósainak 2013-as kutatási eredményei szerint ezt a hatást mégis felfedezték, de elhanyagolhatónak bizonyult. [29]
Ennek oka, hogy az akkumulátor működésének alapja a lítium-ionok felszabadulási és visszafogási folyamatai, amelyek dinamikája a töltés hiányában romlik. [30] A töltés során a lítium-ionok egyenként hagyják el a lítium-ferrofoszfát részecskéit, amelyek mérete több tíz mikrométer. A katód anyaga elkezd szétválni különböző lítiumtartalmú részecskékre. Az akkumulátor az elektrokémiai potenciál növekedésének hátterében töltődik. Valamikor eléri a határát. Ez a maradék lítium-ionok felgyorsulásához vezet a katód anyagából, de már nem változtatják meg az akkumulátor teljes feszültségét. Ha az akkumulátor nincs teljesen feltöltve, akkor bizonyos számú, a határállapothoz közeli részecske a katódon marad. Majdnem elérték a lítium-ion felszabadulási gátat, de nem volt idejük leküzdeni azt. A kisülés során a szabad lítium-ionok hajlamosak visszatérni a helyükre, és rekombinálni ferrofoszfát-ionokkal. A katód felületén azonban a határállapotú részecskék is találkoznak velük, amelyek már lítiumot tartalmaznak. A visszafogás nehezebbé válik, és az elektróda mikroszerkezete megsérül.
Jelenleg a probléma megoldásának két módját fontolgatják: az akkumulátor menedzsment rendszer algoritmusainak megváltoztatását és a megnövelt felületű katódok fejlesztését.
A mélykisülés teljesen tönkreteszi a lítium-ion akkumulátort. Ezenkívül az akkumulátor élettartamát befolyásolja a kisülés mélysége a következő töltés és a gyártó által megadottnál nagyobb áramerősséggel történő töltés előtt. Az akkumulátor alacsony belső ellenállása miatt a töltőáram nagymértékben függ a kapcsai feszültségétől töltés közben. A töltőáram az akkumulátor és a töltő közötti feszültségkülönbségtől, valamint magának az akkumulátornak és a hozzá csatlakoztatott vezetékeknek az ellenállásától függ. A töltőfeszültség 4%-os növekedése a töltőáram 10-szeres növekedéséhez vezethet, ami negatívan hat az akkumulátorra, elégtelen hőelvonás esetén túlmelegszik és leromlik. Ennek eredményeként, ha az akkumulátor feszültségét csak 4%-kal lépjük túl, akkor ciklusról ciklusra kétszer olyan gyorsan veszít a kapacitásából [31] .
A lítium akkumulátorok akkor is elöregednek, ha nem használják. Ennek megfelelően nincs értelme „tartalékban” akkumulátort vásárolni, vagy túlságosan elragadtatni az erőforrás „megtakarításával”.
A Li-ion akkumulátorok optimális tárolási feltételei az akkumulátor kapacitásának 40%-os feltöltésével és 0 ... 10 °C hőmérsékleten érhetők el [32] .
| Hőmérséklet, ⁰C | 40% díjjal, évi % | 100%-os töltéssel, évi % |
|---|---|---|
| 0 | 2 | 6 |
| 25 | négy | húsz |
| 40 | tizenöt | 35 |
| 60 | 25 | 60 ( 3 hónap alatt 40% ) |
Más típusú akkumulátorokhoz hasonlóan az alacsony hőmérsékleten történő kisütés az energiakibocsátás csökkenését eredményezi, különösen 0 ⁰C alatti hőmérsékleten. Így a kimenő energia betáplálásának csökkenése, amikor a hőmérséklet +20 ⁰C-ról +4 ⁰C-ra esik, a kimenő energia ~5-7%-os csökkenéséhez vezet, a kisülési hőmérséklet további 0 ⁰C alá csökkenése pedig a kimenő energia vesztesége több tíz százalékkal. Ha az akkumulátort az akkumulátor gyártója által meghatározott hőmérsékletnél nem alacsonyabb hőmérsékleten lemeríti, az nem vezet azok leromlásához (az erőforrás idő előtti kimerüléséhez). Más típusú akkumulátorokhoz hasonlóan a probléma egyik megoldása a belső fűtésű akkumulátorok [33] .
