Litiumioniakku

Litiumioniakkuteknologia tarjoaa kehittyneen ladattavan virtalähteen, jota käytetään erilaisissa elektronisissa laitteissa. Tässä akussa hyödynnetään litiumionien palautuvaa interkalaatiota hiilen negatiivisiin elektrodeihin sähkökemiallisissa reaktioissa ei-vesipitoisten orgaanisten nestemäisten elektrolyyttiliuosten kanssa.

Nämä paristot sisältävät orgaanisia liuottimia, jotka tekevät niistä erittäin helposti syttyviä. Siksi on viisasta säilyttää niitä kaukana metalliesineistä, jotta vältetään tulipalon vaaraa aiheuttavat oikosulut. Tulipaloja voi syntyä myös ylilatauksesta tai näiden akkujen kennojen fyysisestä vahingoittumisesta.

Korkea energiatiheys

Litiumakkujen suuri energiatiheys tekee niistä korvaamattoman arvokkaan virtalähteen kannettaville elektroniikkalaitteille, kuten matkapuhelimille, kelloille, tableteille, tietokoneille, sähköautoille, lennokeille ja ilmailu- ja avaruuslaitteille. Energiatiheys mahdollistaa suurten sähkömäärien toimittamisen pieneen tilavuuteen säilyttäen samalla kevyen painon; energiatiheyden mittaaminen mittaa, kuinka monta wattituntia (wh) akku voi varastoida painoonsa nähden; energiatiheys eroaa tehotiheydestä, joka mittaa, kuinka monta wattia akku voi tuottaa tunnissa tai minuutissa. On kuitenkin huomattava, että molemmat mittarit on otettava vakavasti, jotta akun suorituskykyä voidaan arvioida asianmukaisesti!

Litiumioniakut ovat sähkökemiallisia kennoja, joissa on kaksi kiinteää elektrodia, jotka sisältävät litiumatomeista koostuvia yhdisteitä; yleensä negatiivinen elektrodi on grafiittia ja positiivinen elektrodi piitä. Pii voi lisätä kapasiteettia, kun taas positiivisena elektrodina voidaan käyttää interkalaatioyhdistettä, kuten LiCoO2:ta, LiFePO4:ää tai litiumnikkeli-mangaani-kobolttioksidia. Kunkin akkukennon välissä on ei-vesipitoinen nestemäinen elektrolyytti, kuten orgaaninen liuotin, kuten etyleenikarbonaatti tai propyleenikarbonaatti, johon on dispergoitu litiumionien komplekseja.

Lataus tapahtuu siirtämällä litiumioneja negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille ja vapauttamalla elektroneja, jotka kulkevat ulkoista johtoa pitkin työtä varten. Sitä vastoin purkautuessaan ionit palaavat anodilta katodille ja vapauttavat elektroneja, jotka kulkeutuvat takaisin anodille, jossa ne vetävät varauksen takaisin ulos elektrolyytin kautta luoden virran, joka antaa virtaa laitteillemme.

Energiantarpeen kasvaessa akkujen on tarjottava enemmän tehoa pienemmässä ja kevyemmässä paketissa. Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää uusia sähkökemiallisia järjestelmiä, joiden energiatiheys on huomattavasti suurempi kuin nykyisin saatavilla olevien - näissä korkean energiatiheyden akuissa on tasapainotettava energiantuotanto ja energiankäyttö, syklin kestoikä ja turvallisuusnäkökohdat.

Ladattavat litiumparistot, joissa on insertion-tyyppiset katodit ja piipohjaiset anodit, ovat herättäneet valtavaa kiinnostusta niiden erinomaisen energiatiheyden vuoksi. Verrattuna nykyisiin litiumioniakkuihin, joissa on interkalaatiotyyppiset katodit ja grafiittianodit, nämä uudet teknologiat tarjoavat huomattavasti enemmän tehoa paljon ohuemmissa ja kevyemmissä kennoissa, mikä luo toivoa hiilettömästä liikkuvuudesta ja uusiutuvista energialähteistä lähitulevaisuudessa.

Pikalataus

Lataus tapahtuu, kun ulkoiset sähköenergialähteet syöttävät akkuun ylijännitteen (joka on suurempi kuin itse kennossa oleva jännite), jolloin elektronit pakotetaan positiiviselta elektrodilta elektrolyytinesteen läpi negatiiviselle elektrodille, jolloin litiumionit pakotetaan joko huokoisiin grafiittianodeihin tai niistä ulos interkalaatio- tai deinterkalaatioprosessien kautta ja luodaan akun sisään potentiaalienergiaksi varastoitunutta kemiallista energiaa.

Reaktioiden ja kuljetusten nopeus on olennainen osa akun kapasiteettia ja jännitettä. Jännitteen kasvaessa myös akun energiantuotto kasvaa; kapasiteetti kasvaa myös kunkin käytetyn katodimateriaalin tyypin mukaan, samoin kuin muut seikat, kuten coulombinen tehokkuus, absorptio-/emissio-ominaisuudet ja negatiivisten elektrodien läsnäolo, jotka toimivat käänteisinä sähköpumpuina litiumionien siirron avustamiseksi.

Nopea lataus voi kuitenkin johtaa anodin heikkenemiseen - kapasiteetin palautumattomaan heikkenemiseen, joka kiihtyy korkeammissa lämpötiloissa, yli-/alilataussykleissä, usein toistuvissa sykleissä tai iän myötä. Lisäksi elektrolyytit voivat hajota ja tuottaa kaasua, joka lisää kennon sisäistä painetta vaativissa laitteissa, kuten kannettavissa laitteissa, mikä voi aiheuttaa vaaratilanteita vaativissa sovelluksissa, kuten kannettavissa laitteissa.

NREL:n akkututkimuksen tavoitteena on löytää uusia teknologioita, jotka tasapainottavat energiatiheyden ja nopean latauksen ominaisuudet. Yksi lähestymistapa on kaksoiskaltevuusanodimateriaalit, jotka mahdollistavat litiumionien tasaisemman jakautumisen elektrodin sisällä, mikä nopeuttaa massan kuljetusta nopeammin ja vähentää samalla hajoamista aiheuttavaa konsentraatiopolarisaatiota.

Akun sähkönjohtavuuden parantaminen on toinen tehokas keino lisätä latauskapasiteettia, mikä voidaan tehdä muuttamalla aktiivisten materiaalien hiukkaskokoja, laajentamalla huokoskokoja tai vaihtamalla elektrodimateriaaleja. Toinen menetelmä olisi käyttää grafiittia, jolla on rakeisempia rakenteita, jotka lyhentävät matkaa litiumanodilta anodille; Battrion, Sveitsin liittovaltion teknillisen korkeakoulun spinoff-yritys, voi nopeuttaa latausta järjestämällä grafiittihiutaleet negatiivisella elektrodilla pystysuoriin riveihin.

Pitkä syklin käyttöikä

Teoriassa tämän mekanismin pitäisi toimia ikuisesti, mutta sykliminen ja korkeat lämpötilat lyhentävät akun käyttöikää; valmistajat ilmoittavat akkukennojen keskimääräiseksi käyttöiäksi yleensä 300-500 purku-/lataussykliä.

Litiumioniakut kestävät tyypillisesti 2-3 vuotta tai 500 lataussykliä, riippuen siitä, kumpi tulee ensin. Niiden käyttöikää voidaan pidentää entisestään toteuttamalla aktiivisia toimia ennenaikaisen hajoamisen välttämiseksi.

Yksi litiumioniakkujen pitkäikäisyyden avaintekijöistä on niiden pitäminen keskivaraustilassa (SoC). Kun akut jätetään täyteen varaustilaan, ne joutuvat rasitukseen, koska elektrolyytin on siirrettävä ioneja anodeihin nopeammin kuin latauksen aikana, mikä johtaa nopeampaan kapasiteetin menetykseen ja siten suurempaan rasitukseen akkujen kennoissa.

Akun optimaalisten olosuhteiden ylläpitäminen on myös avainasemassa, ja äärimmäisiä lämpötiloja on vältettävä, sillä ne voivat aiheuttaa elektrolyytin hajoamisen ja tuottaa vaarallisia kaasuja, jotka voivat vaarantaa akkukennot. Lisäksi tiheä ja pitkäaikainen ylilataus voi nopeuttaa kapasiteetin menetystä.

Anodimateriaalin käytöllä on myös keskeinen merkitys litiumakun pitkäikäisyyden pidentämisessä; grafiitti on yksi yleisimmistä käytetyistä vaihtoehdoista, vaikka tutkijat tutkivat uusia ratkaisuja, jotka tarjoavat suuremman kapasiteetin pienemmällä materiaalin käytöllä ja paremmalla suorituskyvyllä.

Litiumioniakuissa käytettävät katodimateriaalit koostuvat tyypillisesti litiumin, koboltin ja nikkelin yhdistelmistä, jotka varastoivat tehokkaasti ioneja. On tärkeää pitää mielessä, että sekä anodin että katodin jännitetasojen on oltava samanlaiset, jotta litiumionit interkaloituvat tehokkaasti; muutoin syklin kesto lyhenee dramaattisesti.

Litiumioniakkuja on ladattava ja tyhjennettävä säännöllisesti, jotta niiden käyttöikä pitenee ja tehokkuus pysyy korkeana. Näin varmistetaan myös turvallisuus, sillä litiumioniakut ovat helposti syttyviä. Optimaalisen käytön ja varastoinnin kannalta on myös tärkeää, että käytetään sopivaa laturia ja noudatetaan valmistajan ohjeita oikeista käyttö- ja varastointikäytännöistä.

Kevyt

Litiumakut ovat huomattavasti kevyempiä kuin vastaavat akut, koska niiden elektrodeissa käytetään kevyitä materiaaleja (hiiltä ja litiumia), mikä helpottaa niiden kuljettamista ja asentamista elektronisiin laitteisiin.

Litiumakut ovat tunnettuja siitä, että ne säilyttävät varauksensa ajan mittaan, mikä lyhentää latausjaksoja merkittävästi. Litiumakut menettävät yleensä vähemmän energiaa kuin muuntyyppiset akut, kuten nikkelimetallihydridi (NiMH), jotka voivat menettää jopa 20% kuukaudessa.

Litiumparistoilla on toinenkin etu verrattuna muihin akkuihin: turvallisuus. Tämä johtuu siitä, että ne tuottavat vähemmän lämpöä lataus- ja purkautumisprosessien aikana kuin muut akkutyypit; näin vältetään tulipalot tai räjähdykset, joita muut akkutyypit saattavat aiheuttaa.

Litiumpariston valinta riippuu erityisvaatimuksistasi. Jos esimerkiksi aiot käyttää akkua kylmissä lämpötiloissa, valitse litium-rautafosfaattiakku, jonka anodi on rakennettu huokoisesta hiilestä ja katodi metallioksidista. Litiumionit kulkevat näiden elektrodien välillä elektrolyyttiliuoksen välityksellä luoden sähköä ladattaessa.

Litium-mangaani-kobolttioksidiparistojen energiatiheys on poikkeuksellisen suuri. Niiden katodit sisältävät litium-mangaanikobolttia (tai spinelliä), ja niiden rakenteet on suunniteltu siten, että ne lisäävät virransietokykyä ja pienentävät sisäistä vastusta - tämä akkutyyppi on usein älypuhelimissa, digitaalikameroissa ja kannettavissa tietokoneissa.

Litiumioniakut tarjoavat monia etuja, joiden ansiosta ne ovat ensisijainen valinta jokapäiväisen elektroniikan virransyöttöön matkapuhelimista sähköautoihin. Sen lisäksi, että se on helposti ladattavissa, sen turvallisuus on vertaansa vailla. Lisäksi näiden akkujen kierrätys on tehtävä oikein EPA:n tarjoamien linkkien avulla.