Lítium akkumulátor készítéséhez használt anyagok

Az elektromos járművek (EV-k) gyors terjedése megnövelte a lítium akkumulátorok gyártásához használt nyersanyagok iránti keresletet, ami szükségessé teszi, hogy azokat új ásványi anyagokból nyerjék - ez környezetvédelmi és társadalmi aggályokat is felvet.

A lítium akkumulátorok kémiai összetételei különböznek egymástól a tárolható energia mennyisége és a feltöltések száma tekintetében, így az adott alkalmazáshoz való kiválasztásuk kulcsfontosságú.

Lítium-ion kémia

A lítium-ion akkumulátorok gyorsan váltak a szórakoztatóelektronikai eszközök, például a mobiltelefonok és a laptopok egyik legelterjedtebb technológiájává, és a hibrid autókban is egyre inkább elterjedtek. Nagy energiasűrűségüknek köszönhetően kisebb helyen nagyobb mennyiségű energia tárolható, mint a hagyományos akkumulátortechnológiák esetében.

A Li-ion akkumulátorok is biztonságosan üzemeltethetők, ha a speciális biztonsági irányelvek betartásával működnek. Bár tűzveszélyük kisebb, mint a lítium-fém akkumulátoroké, a helytelen kezelés még mindig veszélyt jelenthet.

A lítium-ion akkumulátorok interkaláció és extrakció útján működnek, a lítiumionok oda-vissza mozognak az anód és a katód között, nem vizes oldószerekből, például etilén-karbonátból vagy propilén-karbonátból álló elektrolitoldatot létrehozva, amely mindkettőt körülveszi. A lítium vízzel való erős affinitása miatt nedvesség soha nem kerülhet ebbe az akkumulátorba.

A kisülés akkor következik be, amikor a lítiumionok az anódról az elektrolitoldatba kerülnek, ahol az elektromos áram hatására felszabadulnak kötőhelyeikről, majd az anóddal való kötésükből - így az elektronok szabadon áramolhatnak a külső vezetékeken keresztül, hogy munkát végezhessenek.

A lítium-ion akkumulátorok számos előnyt kínálnak társaikkal szemben, többek között jó energiahatékonyságot és nagy teljesítmény/tömeg arányt, alacsony önkisülési arányt, hosszú élettartamot és hordozható kialakítást. A lítium-kobalt-oxid technológia a lítium-ionos autóakkumulátorokban nagyobb energiasűrűséget tesz lehetővé, mint alternatívái.

Elektrolit

Az elektrolitok létfontosságú ásványi anyagok, amelyek nélkülözhetetlenek szervezetünk hidratáltsági szintjéhez és sejtfunkcióihoz, valamint olyan általános egészségügyi előnyökkel járnak, mint a fáradtság, szédülés és fejfájás megelőzése. Az elektrolitok hiánya akár dehidratációhoz is vezethet, amely jelentősen befolyásolja az életet, és mélyreható módon megzavarja a napi rutinokat.

A lítium-ion akkumulátorok nem vizes elektrolitokra támaszkodnak a vízreakciók elkerülése és az elektródák degradációtól való védelme érdekében. Ezek gyakran tartalmaznak szerves karbonátokat, például etilén-karbonátot vagy propilén-karbonátot olyan komplexekkel, amelyek lítiumionokat kötnek meg oldatban; ez a folyékony elektrolit lehetővé teszi az ionok mozgását az anód- és katódelektródok között, elektromos energiát termelve.

Ahogy a lítiumionok a kisülés során az anódtól a katód felé haladnak az elektroliton keresztül, egy beillesztési vagy interkalációs folyamaton mennek keresztül, amely során elektronjaikat a katódról átadják. Ezáltal a cella külső áramkörében tárolt kémiai energia keletkezik; a töltés során ugyanezek az ionok elektronjaikkal újra egyesülnek, és elektromos áramot képeznek.

Dinca és csapata olyan alternatív akkumulátor-anyagok kifejlesztésén dolgozik, amelyek kevesebb kobaltot tartalmaznak, például nátriumot vagy magnéziumot. Az ilyen akkumulátorok könnyebbé és olcsóbbá tehetnék az akkumulátorokat, ami vonzóbbá tenné őket a fogyasztók számára. A kobaltmentes akkumulátorok élettartama és újrahasznosíthatósága jobb lehet, és még a szállítás és tárolás is biztonságosabb lehet, mint a kobaltosoké.

Katód

A katód a lítium akkumulátorok egyik központi eleme. Elektromos vezetőként segíti a lítiumionok mozgását az anód és a katód között a kisütési/töltési folyamatok során. A katódok különböző anyagokból állhatnak, például lítium átmeneti fém-oxidokból, vanádium-oxidokból, mangánalapú oxidokból vagy lítium-foszfátokból, amelyek lehetővé teszik a lítiumionok reverzibilis interkalációját/deinterkalációját a kisütési/töltési ciklusok során.

Az anód egy negatív elektród, amely a cella kisülése során az elektronok külső áramkörbe történő leadásáért felelős. Ezzel szemben a katódok pozitív töltésű lítiumionokat kötnek össze elektronokkal egy elektrokémiai redukciós reakció során a pozitív elektródon. Az elektrolit közvetítő szerepet tölt be a lítiumionok és az elektronok anód és katód közötti szállításában; maga nem vesz részt az elektrokémiai reakcióban.

Számos különböző katódanyagot fejlesztettek ki; a jelenlegi gyártásban legelterjedtebb három anyagot LiCoO2, LiMn2O4 és LiFePO4 néven lehet összefoglalni. Mindegyik a lítium-ion kémiát használja; töltési kapacitásuk és ciklikus stabilitásuk azonban modellenként eltérő.

A lítium-ion akkumulátorok mind az energiasűrűség, mind a ciklusok élettartama szempontjából a katódtól függenek, mivel ez az alkatrész nagy mennyiségű, nagy vezetőképességű lítiumiont tárol, és az optimális működéshez nagy mennyiségű lítiumiont kell tárolnia. Az ellenállás további csökkentése és a teljesítmény növelése érdekében különböző vezető adalékanyagok, például szénfekete (CB), amorf szén (AC) vagy szénszálak (CF) adhatók hozzá vezető adalékanyagként; a 2. táblázat bemutatja ezen adalékanyagok eredményeit a különböző vezető adalékanyagokkal összehasonlított különböző katódanyagok kisütési kapacitásaira és ciklusteljesítményeire vonatkozóan.

Anód

A lítium-ion akkumulátorok életképességét nagymértékben meghatározzák az elektródok - más néven anódok és katódok - anyagai, amelyek alapvető szerepet játszanak az energiasűrűség és a feszültségtartomány szabályozásában. A legtöbb lítium akkumulátor szén anódot és katódot használ; a kutatók azonban alternatív megoldásokat vizsgálnak.

A kisülés akkor következik be, amikor az anód interkaláció révén lítiumionokat bocsát ki a katódra, áramot és energiát termelve. Töltéskor azonban ennek fordítottja történik. Ahelyett, hogy a lítiumionok interkaláció révén a katódra bocsátódnának ki, azok egy elektrolitba kerülnek (amely dimetilkarbonát oldószerben szuszpendált lítiumsókból áll). Innen az anód felé haladnak vissza, majd végül ezen az oldaton keresztül ismét kifelé, hogy visszafelé teljesítsék a körforgást.

A hagyományos grafit anódok nem használhatók hosszú távon, mivel a lítium ismételt behelyezése miatt szétesnek és veszítenek kapacitásukból, így nem maradnak működőképes LIB cellák. Alternatívákat javasoltak, például fémhidroxidokat; azonban ezek magas interkalációs feszültségei csökkentik ezen akkumulátorok energiasűrűségét.

Az akkumulátorok anyagaira szakosodott Amprius vállalat egy olyan anódot fejlesztett ki, amelynek szilíciumhéja szilícium nanodrótokat foglal magába, ami az egyik lehetséges megoldás. Az Airbus Zephyr S álműholdas akkumulátorcsomagban tesztelési céllal már kipróbálták, és a teljesítménye kiemelkedő volt: több száz töltési ciklust kibírt, miközben több mint 435 W h/kg energiateljesítményt produkált.

Elektródaszeparátor

A szeparátor a lítium akkumulátorok lényeges eleme, amely a pozitív és negatív elektródák elkülönítésére szolgál, miközben lehetővé teszi a lítiumionok áramlását. A különböző poliolefin anyagokból, például polietilénből vagy polipropilénből készült porózus membránból épül fel, és mérete befolyásolja, hogy mekkora áramot lehet felvenni kisülés közben, valamint meghatározza a stabilitást a ciklikus ciklusok során.

A szeparátor porozitásának elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy a lítiumionok szabadon mozoghassanak az elektródák között, a pórusok széles eloszlásával, amelyek az akkumulátor kihúzásakor vagy kikapcsolásakor bezáródnak; az optimális pórusméret 30 és 100 nanométer között van. Ezenkívül a vezetőképességének is magasnak kell lennie.

A szeparátor nedvesíthetősége szintén lényeges; a cellák működése során megfelelő mennyiségű elektrolitot kell a pórusaiba szívnia anélkül, hogy dendritképződés és SEI-növekedés következne be. Különféle szeparátoranyagok alkalmazhatók, például nemszőtt PP, mikroporózus egyrétegű PP, cellulóz, üvegszál, PTFE vagy háromrétegű PP/PE/PP; egyesek fokozott tulajdonságokkal rendelkeznek, például fokozott oxidációs ellenállással vagy az elektrolitokkal való affinitással/nedvesíthetőséggel; ezek a fejlesztések jelentősen hozzájárulnak az akkumulátor biztonságához és élettartamához.

Jelenlegi gyűjtők

Az áramszedők a lítium akkumulátorok alapvető alkotóelemei, mivel lehetővé teszik az elektronok áramlását a katód- és az anódelektród között, segítve az akkumulátor nagy energiasűrűségének elérését, valamint javítva a biztonságot és a teljesítményt. Úgy kell kialakítani őket, hogy az elektródák korróziója nélkül bírják a magas üzemi feszültséget.

Az olyan fémeket, mint az alumínium és a réz, gyakran használják áramgyűjtőként, mivel viszonylag olcsók és kiváló elektromos vezetőképességűek, de a ridegségük miatt nagy vastagságra van szükség a mechanikai integritás fenntartásához.

Az NREL tudósai újszerű módszert dolgoztak ki az áramkollektorok vastagságának csökkentésére, miközben az energiasűrűséget növelik. A módszer lényege, hogy a lítiumakkumulátorok szeparátorainak aktív anyagait ragasztóval vonják be, így vékony, mégis könnyű áramkollektorokat hoznak létre, amelyek segítenek a lítiumakkumulátorok energiahatékonyabbá tételében.

A tudósok olyan módszereket kutatnak, amelyekkel csökkenthető az áramgyűjtők vastagsága, miközben egyidejűleg növelhető az elektrokémiai stabilitásuk. A szénalapú anyagok a fémekhez képest környezetbarátabb gyártási eljárásokat kínálnak, és egyre gyakrabban használják őket áramkollektorként.

A szénalapú áramgyűjtők számos előnyt kínálnak merevebb társaikkal szemben, többek között könnyebbek és elég rugalmasak ahhoz, hogy javítsák az akkumulátor energiasűrűségét és teljesítménykapacitását - ami a lítium-ion növekvő népszerűsége miatt egyre fontosabb követelmény.