Litium-ioniakut

Litiumioniakkuja käytetään laajalti kulutuselektroniikan, kuten matkapuhelinten ja digitaalikameroiden, virtalähteenä niiden suuren energia- ja tehotiheyden, pitkän käyttöiän ja nopean latautumisen ansiosta.

Niiden korkea suorituskyky perustuu niiden katodimateriaaleihin, kuten litiumkobolttioksidiin, litiumrautafosfaattiin ja nikkeli-mangaanikobolttiin (NMC). Lisäksi näissä akuissa on tyypillisesti grafiittianodit.

Kustannukset

Litiumioniakuista on tullut yksi sähköisen liikkuvuuden kulmakivistä. Niiden energiatiheys mahdollistaa suuren suorituskyvyn pienissä ja kevyissä pakkauksissa - ihanteellinen ratkaisu niin kuluttajalaitteisiin, sähkötyökaluihin kuin sähköajoneuvoihinkin. Lisäksi litiumioniakkujen suurempi ominaisenergia tarkoittaa, että litiumioniakkujen latauskapasiteetti kiloa kohden on suurempi kuin kilpailevien teknologioiden.

Litiumioniakku koostuu anodista, katodista ja elektrolyytistä. Purkautumissyklien aikana litiumatomit irrotetaan elektroneistaan anodilla, minkä jälkeen ne kulkevat elektrolyytin läpi katodille, jossa ne yhdistyvät katodin kanssa muodostaen ioneja, jotka neutralisoituvat sähköisesti; lataussykleissä nämä ionit kulkevat elektrolyytin läpi takaisin anodille ladattavaksi.

Litiumioniakkujen kustannukset ovat laskeneet huomattavasti viime vuosikymmenen aikana, mutta niitä on edelleen alennettava, jos BEV-ajoneuvoista aiotaan tehdä kilpailukykyisiä polttomoottoriajoneuvojen kanssa ja jos kiinteän varastoinnin halutaan saavuttavan mittakaavan.

Litiumioniakkuteknologia on nykyään yli kaksi kertaa kustannustehokkaampaa kuin aiemmat sukupolvet, ja hinnat ovat laskeneet yli 80% 1990-luvun alusta lähtien massatuotantomenetelmien ja teknisten innovaatioiden ansiosta.

Litiumioniakkujen kustannukset ovat laskeneet huomattavasti ajan myötä, mutta niiden laajamittainen käyttöönotto eri käyttötarkoituksiin edellyttää niiden halpenemista edelleen. BloombergNEF:n Evelina Stoikou teki hiljattain tutkimuksen, jossa tarkastellaan, miten litiumakkujen komponenttien ja raaka-aineiden kustannukset ovat laskeneet, koska tuotantokapasiteetit ovat laajentuneet toimitusketjuissa ja koska materiaalien, pakkausten suunnittelun ja kennojen valmistuksen innovaatiot ovat keskeisiä tekijöitä, jotka ovat vaikuttaneet tähän kehitykseen.

Raportissa käytetty alhaalta ylöspäin suuntautuva mallinnusmenetelmä kuvastaa litiumioniakkujen valmistuksen kunkin komponentin kustannuksia, mikä mahdollistaa eri kennomallien ja tuotantoprosessien vertailun. Siinä otetaan huomioon sellaiset tekijät kuin raaka-aineiden hinnat, lopputuotteiden teknologiset vaatimukset ja tuotantoprosessien resurssien kysyntä, jotta voidaan tunnistaa kustannustekijät, jotka voivat mahdollistaa lisävähennyksiä. Toivottavasti tämä analyysi paljastaa mahdolliset kustannustekijät ja johtaa litiumioniakkujen tuotantokustannusten suurempaan alenemiseen.

Kapasiteetti

Litiumioniakuista on tullut nykyajan kulutuselektroniikan, sähköajoneuvojen ja energian varastointijärjestelmien ensisijainen virtalähde, mikä luo uusia haasteita akkujen valmistajille. Yksi litiumioniakkujen suorituskyvyn avain on niiden kapasiteetti. Kennon kapasiteetin laskemiseksi tarvitaan tietoja, kuten kennon tyyppi, jännite ja lataussyklihistoria; nimellisjännite kerrotaan nimellispurkausvirralla, jolloin saadaan ampeeritunteja (Ah).

Litiumioniakut koostuvat yleensä kahdesta elektrodista: anodista, joka vapauttaa elektroneja, ja positiivisesta elektrodista eli katodista, johon elektronit palaavat. Litiumionit kulkevat näiden elektrodien välillä elektrolyyttiliuoksen läpi; katodimateriaalissa olevilla litiumioneilla on suurempi kemiallinen affiniteetti varastoida elektroneja helpommin kuin anodissa olevilla litiumioneilla - tämä tekee litiumioniakuista erityisen tehokkaita.

Litiumioniakut koostuvat anodista, joka koostuu grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta materiaalista, johon on lisätty piitä kapasiteetin lisäämiseksi, ja katodista, joka on muodostunut litiummangaanispinelistä, joka on epätavallinen mineraalirakenne, joka pystyy varastoimaan litiumioneja kerroksiinsa. Ensimmäisen ladattavan litiumioniakun kehitti M. Stanley Whittingham 1970-luvulla käyttämällä katodimateriaalina titaanidisulfidia ja litium-alumiinioksidianodia; John Goodenough kehitti sitä myöhemmin käyttämällä sen sijaan nikkeli-kobolttiseoskatodia.

Commodity Insights arvioi, että litiumioniakkujen maailmanlaajuinen kysyntä kasvaa nopeasti, ja maailmanlaajuisen valmistuskapasiteetin arvioidaan nousevan 6,5 TWh:iin vuoteen 2030 mennessä. Valitettavasti litiumioniakkuihin tarvittavista raaka-aineista on edelleen pulaa; uusien kaivoshankkeiden pitkät hyväksymis- ja rakentamisaikataulut voivat aiheuttaa pulaa keskeisistä akkukomponenteista vuoteen 2025 mennessä.

Turvallisuus

Litiumioniakut toimivat monien kannettavien kulutuselektroniikkalaitteiden ja sähköajoneuvojen voimanlähteenä, mutta vikaantuessaan ne voivat aiheuttaa tulipaloja. Kun akkua ladataan liian nopeasti tai se ylikuumenee, sen sisällä olevat litiumionit voivat alkaa liikkua ja aiheuttaa lämpökarkulaisuuden, mikä johtaa tulipaloon itse akussa - sitä kutsutaan lämpökarkulaisuudeksi. Litiumionipaloja voi olla vaikea sammuttaa; vesipohjaisilla sammuttimilla voidaan saada aikaan tilapäinen jäähdytysvaikutus, mutta niillä ei voida sammuttaa niiden energialähdettä kokonaan, ennen kuin sen energia haihtuu; erityisiä litiumionigeelisammuttimia on olemassa, mutta ne eivät ole vielä yleistyneet; mahdollisimman suuren tehokkuuden saavuttamiseksi on ehdottoman tärkeää, että akkuja ladattaessa käytetään vain hyväksyttyjä litiumionituotteita!

Litiumioniakut vaativat tiukempaa testausta, koska niiden energiatiheys on suurempi kuin vanhempien lyijy- tai nikkeliakkujen, koska niiden suurempi tiheys edellyttää kennojen tiivistä kokoonpanoa ja koska on olemassa riski, että metallipöly pääsee erottajien väleistä sisään ja oikosulkee kennot - mikä on tosin harvinaista, mutta voi tapahtua.

Myös akkujen mekaaninen väärinkäyttö voi johtaa niiden tuhoutumiseen. 18650-akun pussin sisällä olevaan naulaan osuva naula ei välttämättä johda välittömästi kennon rikkoutumiseen, mutta se voi vahingoittaa sekä erotusainetta että aktiivisia materiaaleja, mikä voi johtaa kennon vuotamiseen. Paristojen optimaalisen turvallisuuden varmistamiseksi 18650-akkujen lataaminen kovalla pinnalla, kuten betonilla tai metallilla, eikä lähellä syttymislähteitä, kuten tulipalon vaaroja, on paras käytäntö, kun taas suurten akkujen lataaminen, kuten sähköpyörien tai skoottereiden akkujen lataaminen, on ihanteellista autotallissa tai vajassa eikä asuintiloissa lähellä uloskäytäviä tai olohuoneissa tai lähellä uloskäytäviä.

Jos paristo tuntuu kuumalta, menettää muotoaan tai siitä lähtee outo haju, se on hävitettävä välittömästi. Paristoja ja niitä sisältäviä laitteita ei saa koskaan sijoittaa tavallisiin roskakoriin, koska ne voivat syttyä palamaan kuljetuksen tai hävittämisen aikana kaatopaikoilla tai kierrätyskeskuksissa. NFPA tarjoaa kampanjatyökalupaketin, jonka avulla yhteisön johtajat voivat valistaa asukkaitaan turvallisen litiumioniakkujen hallinnan tärkeydestä kuvien, videoiden ja tietolehtisten avulla, joita he voivat jakaa alueensa tiedotusvälineille.

Ympäristövaikutukset

Litiumioniakut ovat olennaisen tärkeitä vähähiilisen tulevaisuutemme kannalta, sillä ne tarjoavat energiavarastoja sähköajoneuvoille ja uusiutuvan sähköntuotannon tarpeisiin. Valitettavasti niiden tuotanto tuottaa merkittäviä kasvihuonekaasupäästöjä ja käyttää paljon energiaa fossiilisista polttoaineista raaka-aineiden talteenottoon kennojen, moduulien ja akkupakettien valmistusta varten. Tämä kaikki on otettava huomioon.

Valmistusprosessit tuottavat usein vaarallisia jätteitä, jotka aiheuttavat riskejä ihmisten terveydelle ja ympäristölle ja edellyttävät asianmukaisia varastointi-, kuljetus- ja hävittämismenettelyjä.

Paristotoiminnan kaikkien vaikutusten ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan varmistaa paikallisten ja liittovaltion säädösten noudattaminen ja samalla vähentää toiminnasta aiheutuvia riskejä; toimenpiteisiin voi kuulua asianmukaisten turvallisuusprotokollien käyttöönotto, henkilöstön kouluttaminen paristojen hävittämisprosesseihin ja paristojen hävittämisprosessien valvonta.

Litiumioniakut aiheuttavat ympäristöhaittoja, jos niitä käsitellään tai varastoidaan väärin. Litiumioniakut ovat erittäin helposti syttyviä, räjähtäviä tai syttyvät tuleen, ja niiden stabiilisuusikkuna on kapea ja kemialliset ominaisuudet herkkiä, minkä vuoksi ne ovat alttiita lämpökatkoille eli kennon lämpötilan nopealle nousulle, jota seuraa purkautuminen ja tulipalo. Nämä tapaukset voivat vahingoittaa läheisiä rakenteita ja jättää jälkeensä pysyviä ympäristövaikutuksia.

Li-ion-akkujen tulipalojen leviämisen estämiseksi ympäröiville alueille on ratkaisevan tärkeää, että erikoistunut yksikkö hallitsee riskit tehokkaasti. Tällaiset yksiköt on suunniteltu pitämään akut turvallisesti sisällä ja poistamaan vaaralliset kaasut, savun ja tuhkan sisältä sekä estämään liekkien leviäminen laajemmalle alueelle kotelon sisäisten kanavien avulla.

Litiumioniakkujen kapasiteetin asteittainen heikkeneminen ajan mittaan on erittäin tärkeää, mikä johtuu useista tekijöistä, kuten lämpötilasta ja akun varaustilasta. Korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa rakennemateriaalien pehmenemistä ja kaasunmuodostusta, mikä johtaa heikoimmissa osissa vioittumiseen. Myös ylilataus ja ylipurkaus nopeuttavat kapasiteetin menetystä.