Hogyan kell helyesen feltölteni a lítium akkumulátort?

A lítium akkumulátorok ideális energiaellátási megoldást kínálnak, mivel gyorsan töltődnek és hosszabb ideig tartanak, mint a hagyományos ólomsavas akkumulátor-technológia. A helytelen töltés azonban jelentősen lerövidítheti az élettartamukat.

A lítium akkumulátorok csepptöltését nem szabad elvégezni, mivel ez károsíthatja a cellákat a lítiumfém kiválásával, ami teljesen tönkreteheti őket. Ehelyett inkább az 1. fázisú telítési töltés eléréséig kell tölteni őket.

Elektrolit

Az elektrolitok olyan folyadékok, amelyeket a lítium akkumulátorok elektródái közötti áram továbbítására használnak, és lehetnek vizes vagy szerves oldószer alapúak; az előbbiek nagyobb energiasűrűséget biztosítanak, de gyúlékonyabbak, míg a szerves oldószer alapú elektrolitok általában kevésbé illékonyak, ugyanakkor rosszabb teljesítményt nyújtanak; a közelmúltban az elektrolit teljesítményének javítására irányuló kutatásokat folytatnak, hogy nagyobb teljesítményszinteket érjenek el.

Az elektrolitok jellemzően lítiumból állnak, de a változatosság érdekében más elemeket is hozzáadhatnak. Ionjaik interkaláció révén szorosan kötődnek egy anódhoz és egy katódhoz; amikor a töltött ionok e módszerrel kapcsolódnak a gazdaanyagukban lévő elektronokhoz. Amikor az akkumulátor kisül, ionjai ismét szabaddá válnak, hogy az elektroliton keresztül a katód felé haladjanak, ahol felszabadítják ezeket az elektronokat, amelyek külső vezetékek mentén áramként felhasználhatók.

A lítium-ion akkumulátorok nagy energiasűrűségűek és többszörösen újratölthetők. Ma már megtaláljuk őket telefonokban, digitális fényképezőgépekben és laptopokban; ezeknek a lítium-ion akkumulátoroknak azonban van néhány jelentős hátrányuk, többek között a termikus instabilitás; például ha egy anód túlmelegszik, oxigén keletkezhet, amely gyúlékony - ez vonatkozik a bomló katódokra is, amelyek bomlási folyamatuk részeként oxigént termelnek.

A kutatók új elektrolitok kutatásával igyekeznek javítani a lítium akkumulátorok teljesítményét. Az elektrolitoknak két nagy kategóriája van: az ionos folyadékok és a polimer elektrolitok. Az ionos folyékony elektrolitok oldószerekben oldott sókból állnak, amelyek vezetőképessége és feszültségstabilitása a bennük oldott kationcsoportok és étercsoportok méretétől függően változik, a nagyobb kationok és étercsoportok általában alacsonyabb viszkozitással és olvadásponttal rendelkeznek, mint társaik.

Anód

A grafit ideális anyag a lítium akkumulátorok anódjaként való használatra, mivel alacsony feszültségigénye és teljesítménye, nagy energiasűrűsége és lítiumionok interkalációs képessége miatt képes elektromos töltést tárolni. A lítiumionok a töltési folyamatok során az anódról a katódra mozognak, majd a kisütés során visszatérnek, hogy elektromos áramot hozzanak létre, amely olyan eszközöket, mint a mobiltelefonok vagy a járművek energiaellátását biztosítja.

A lítium akkumulátorok töltéséhez külső, túlfeszültségű elektromos forrásra van szükség. Ennek hatására az elektronok a pozitív (pozitívan töltött) anódról a negatív katód felé áramlanak, és a lítiumionokat az elektródok között mozgatják - az elektrokémiai töltés az, ami a lítium akkumulátorok ilyen hatékony töltését biztosítja.

A lítium akkumulátorok anódanyagait gondosan kell megtervezni, hogy nagy kapacitást és hosszú élettartamot biztosítsanak. Az anódnak nagy mennyiségű Li-iont kell tárolnia minimális térfogattágulás mellett, ugyanakkor elektromosan vezetőnek kell lennie, hogy a Li-ionok zökkenőmentesen haladhassanak át a cellán.

Az anódanyagok biztonságosak és környezetileg fenntarthatóak, emellett költséghatékonyan kell használni őket, és megbízható ellátási láncot kell biztosítaniuk. Ezért fordul sok vállalat az újrahasznosított anyagok felé az anódok és katódok esetében; ez nem csak a nyersanyagigényt csökkenti, de a gyártási költségeket is megtakaríthatja!

Eleinte a fémlítiumot tartották a lítium akkumulátorok ideális anódanyagának, mivel nagy fajlagos energiakapacitása és biztonsági aggályai miatt. Idővel azonban a kutatások a biztonságosabb anyagok, például a koksz és a grafit felé fordultak, amelyek nagyobb stabilitást biztosítanak, ugyanakkor kisebb kapacitással rendelkeznek - bár ezek az anyagok is problémákat okoznak a dendritképződéssel.

Katód

A katódok a lítium akkumulátor negatív elektródái. Töltéskor egy külső áramkör energiát szolgáltat, amelynek hatására az elektronok a pozitív elektródákról a negatív elektródák felé mozognak, és kémiai energiát szabadítanak fel lítiumionok formájában, amelyek az elektroliton keresztül haladnak, és interkaláció révén beágyazódnak a katódba, miközben elektromos töltést szabadítanak fel, és szabadon mozognak a saját cellájukban.

A lítium akkumulátorok különböző katódtípusokat használnak katódként. A LiCoO2, amelynek mangán-spinell szerkezete gyors kisütési és újratöltési sebességet biztosít, továbbra is a legnépszerűbb katód, de alacsony fajlagos energiával és rövidebb élettartammal rendelkezik, mint például a nikkel-mangán-kobalt-grafit katódok.

A tudósok más katódanyagok mellett a LiCoO2 kapacitásának és feszültségének növelésén is dolgoztak. Az egyik megközelítés a LiCoO2 más anyagokkal, például szilíciummal való kombinálása, amely 10-szer több lítiumiont képes elnyelni, mint eredeti formája; a Li+ -ionok ismételt be- és kivonása a szilíciumba, azonban nemkívánatos szilárd elektrolit-felület (SEI) kialakulásához vezethet, ami csökkenti a katódok töltéstárolási kapacitását és ciklikus stabilitását.

A kutatási erőfeszítések jelenleg egy olyan katódanyag létrehozására összpontosítanak, amely nagyobb fajlagos energiával rendelkezik, mint a legtöbb lítium-ion akkumulátorban használt grafit. A lehetséges alternatívák közé tartozik a szénfekete, a fluorofoszfátok és a keményszén - egyes vállalatok még a grafén (egy egy atom vastagságú szénlap) felhasználását is vizsgálják mind az anódok, mind a katódok esetében.

Elválasztó

Az akkumulátorok töltése és kisütése során a szeparátor vékony membránként működik a pozitív és negatív elektródák között, lehetővé téve a lítiumionok szabad áramlását a pozitív és negatív elektródák között, miközben megakadályozza a rövidzárlatot vagy tüzet okozó dendritképződést. Továbbá az akkumulátor feszültségének fenntartása az élettartam alatt megköveteli ezt az alapvető alkatrészt.

A Li-ion akkumulátorok szeparátorainak ideális esetben több kritériumnak is meg kell felelniük az optimális teljesítmény eléréséhez; például rendkívül vékonynak, mechanikailag erősnek és elektromosan szigetelőnek kell lenniük, miközben lehetővé kell tenniük az ionok szállítását és az elektrolit felvételét a cella belső ellenállásának csökkentése érdekében. A gyakorlatban ezt az ideált gyakran nehéz elérni; e nehézségek leküzdésére numerikus vizsgálatokat alkalmaztak a szeparátorok morfológiai tulajdonságainak elemzésére.

Az akkumulátor energiasűrűségének növeléséhez elengedhetetlen a belső ellenállás csökkentése és a teljesítmény növelése. Ez a szeparátor morfológiájának kémiai módosításával, a felületi szerkezet módosításával vagy a geometria módosításával érhető el.

A szeparátorok termikus tulajdonságai kritikus szerepet játszanak az akkumulátorok biztonságában, mivel alakjuk befolyásolja a fázisok közötti stabilitást és a szilárd elektrolit határfelületét (SEI). Továbbá ez segít megelőzni az anód- és katódelektródok közötti rövidzárlatokat, és meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.

Az akkumulátorok jellemzése multiméterrel vagy oszcilloszkóppal végezhető el az akkumulátor töltési és kisütési kapacitásának értékeléséhez. Az egészséges akkumulátor akkor tekinthető egészségesnek, ha kapacitása eléri a névleges kapacitás 100% értékét; ez a megközelítés azonban pontatlannak bizonyulhat, ha nagy igénybevételnek van kitéve; emellett az egészségi állapot mérése kizárólag a ciklusokra támaszkodva túlbecsülheti az élettartam becslését.

Akkumulátor-kezelő rendszer

Az akkumulátor-kezelő rendszerek (BMS) az újratölthető akkumulátorok alapvető összetevői, amelyek biztonságos működést biztosítanak biztonságos határokon belül, miközben optimalizálják a teljesítményt és az élettartamot. A BMS-ek szerves szerepet játszanak az elektromos járművekben, a megújuló energiatároló rendszerekben és a hordozható elektronikában - valamint felbecsülhetetlen értéket képviselnek a nap- vagy szélenergiát a költségmegtakarítás vagy a nettó zéró kibocsátás csökkentése érdekében használó vállalatok számára.

A lítium-ion akkumulátorcelláknak bizonyos feszültséghatárokon belül kell működniük a károsodás minimalizálása és a cellák élettartamának meghosszabbítása érdekében. A BMS felügyeli ezeket a cellákat, hogy észlelje a túlfeszültségi és alulfeszültségi állapotokat, valamint a cellakiegyenlítést a többcellás akkumulátoroknál, hogy kompenzálja a gyengébb cellákat, amelyek lerövidítik az akkumulátor élettartamát. Az akkumulátorkezelő rendszer a hőmérsékletet is kezeli, hogy az akkumulátor(ok) ideális működési tartományt érjenek el.

A túlmelegedés és a túltöltés a lítium akkumulátorcellák károsodásának két fő oka. Amikor a cellák túlmelegednek, kémiai reakciók lépnek fel, amelyek gázokat szabadítanak fel, amelyek kiszabadulnak, és tönkretehetik őket, miközben tűzveszélyt is jelentenek. Az akkumulátor-kezelő rendszer képes érzékelni a túlfeszültségi szinteket, és leállítja a cellák töltését a túlmelegedési problémák elkerülése érdekében.

A BMS-ek a belső rövidzárlatok ellen is védelmet nyújtanak azáltal, hogy folyamatosan figyelik az akkumulátorcsomag minden egyes celláját, és ezeket az adatokat továbbítják egy központi vezérlőegységnek. Az elektromos járművekben a hűtőventilátorokat is vezérelhetik az akkumulátorcsomag állandó hőmérsékletének fenntartása érdekében.

Az akkumulátor-kezelő rendszernek tartalmaznia kell egy kontaktorvezérlő algoritmust, amely figyelemmel kíséri az akkumulátorok állapotát és megakadályozza az akkumulátorcellák túltöltését vagy túlterhelését, valamint azonosítja a kontaktorok hibáit és szükség esetén kikapcsolja az áramforrásokat. Továbbá egy ilyen rendszernek figyelemmel kell kísérnie a teljes töltöttségi állapotot (SoC) annak megállapítása érdekében, hogy mikor van szükség az akkumulátor újratöltésére vagy cseréjére; az SoC-számítások úgy végezhetők el, hogy a cellák feszültségét hozzáadjuk a cellákba belépő vagy onnan kilépő áramhoz.