Lítium-ion akkumulátorok

A globális üvegházhatás és a kőolajfüggőség hibrid, elektromos és tüzelőanyag-cellás járművek villamos hajtásával csökkenthető. E járművek energiakényszerének csillapítására a lítium-ion akkumulátorok ígérnek a korábbiaknál lendületesebb fejlődést. Írásunk ezeket az újfajta energiatárolókat mutatja be olvasóinknak.

Az akkumulátorok energiasűrűségének fejlődése

Célok és törekvések

A mobilitás fenntartásában érdekelt civilizáció a klímaváltoztató CO2-emissziókat felszabadító termikus energiaátalakítást villamos energia hasznosításával törekszik csökkenteni, ami növekvő energiafelhasználási és fokozott energiatárolási igényeket generál, szerte a világon. Az energiahálózattól függetlenül közlekedő járműveken az energiaellátás folyamatosságát csak folyamatos energiatárolással lehet fenntartani. A közúti járművek villamosenergia-tároló eszközeinek fejlesztése azonban jelentősen elmarad a tárolási idénynövekedés dinamikájától.

Az akkumulátorok energiasűrűségének fejlődése

A termikus helyett a villamos energia fokozott felhasználását igénylő fenntartható mobilitás a globális felmelegedés csökkenéséig meghatározó fejlesztési stratégia marad a közúti gépjárművek gyártásában. Így a nagy energia- és teljesítménysűrűségű, megbízható, hosszú élettartamú akkumulátorok kereslete a belső égésű motorok korán is túlmutat majd.

A lemaradás felszámolása valamennyi nagy autós régióban közérdekű feladattá vált, amelynek megoldására vállalatszövetségeket és sokmilliós kormányzati programokat hoztak létre, Dél-Koreán, az Európai Unión, Japánon, Kínán keresztül, az Amerikai Egyesült Államokig bezárólag, szerte a világon.

Egy lítium-ion akkumulátorcella vázlatos felépítése (Anód: LiCoO2; Katód: lítium- grafit)

A villamos hajtás és energiatárolás azonban csak megfelelő energiaellátó, akkumulátortöltő infrastruktúra kiépítésével és működtetésével válhat a mai járműhajtás és energiafelhasználás hatékony alternatívájává.

A gépkocsik villamosítása azonban éppúgy megfelelő stratégiát és infrastruktúrát igényel, mint a fosszilis üzemanyag felhasználásán alapuló energiaellátó és hajtórendszereké. Ezért minden olyan országban át kell alakítani az energiaszer- kezetet, és ki kell építeni a villamos hajtás infrastrukturális és tárgyi feltételeit, ahol azt meg akarják teremteni.

A lítium-ion akkumulátorcellák elektródjait elektrolit-bevonatú szeparátorszalag választja el egymástól (a). A Li-ion telepek hármas szalagtekercsből állnak (b)

E törekvéseket promóciókkal kell előmozdítani. A promóciók és a fejlődés eredményeit mérni szükséges. A célirányos fejlesztések legeredményesebb eszközeit szabványosítani kell az akkumulátorok esetén éppen úgy, mint az akkumulátorokat töltő eszközök körében. A törekvéseket nemzeti szinten célszerű megtervezni, koordinálni és támogatni.

Elkerülve mindezek hiányának fogyasztókra való áthárítását. A Magyar Köztársaságban is. Enélkül a legkorszerűbb járművek és akkumulátorok importja esetén sem lesz áttörés. Az akkumulátorok fejlődése ugyanis feltalálásuk óta az elmúlt 200 évben alig változott. Természetesen nálunk sem. Kedvezőbb adottságai miatt azonban a lítium-ion akkumulátor megfelelő elterjesztése globális fordulat alapja lehet.

A trakciós lítium-ion akkumulátorok sorba kapcsolt celláit burkolatba tokozzák, és a tokokat hűtött egységbe zárják

Lítium-ion akkumulátor

A lítium-ion akkumulátort a ’70-es években az Exxon kutatói fejlesztették ki. Fémanódját mára grafit, katódját fém-oxidok váltották fel, elektrolitja szerves oldószerben (például éterben) oldott LiPF6, LiBF4 vagy LiClO4 só.

Hogy miért a lítiumra esett a kutatók választása, annak az az egyszerű magyarázata, hogy a lítium fém a legutolsó a Volta-féle elektrokémiai feszültségsorban, ezért anyaga a maga 3,7 voltjával a legnagyobb névleges cellafeszültséget kínálja. Ez a cellafeszültség 3,7 V, ami háromszor, energiasűrűsége 100 Wh/kg körüli, ez kétszer nagyobb az ólomakkumulátorokénál.

A trakciós lítium-ion akkumulátoregységek működési feltételeit bonyolult áramkörök felügyelik

A hibridhajtású gépkocsikat eddig döntően nikkel metál-hidrid akkumulátorokkal működtették, a máig költségesebb lítium-ion akkumulátorokkal ugyanis kevesebb használati tapasztalatot gyűjtöttek a fejlesztők és az üzemeltetők.

Mára azonban megfelelő védelmi áramköröket és jobb szeparátorokat fejlesztettek ki, a lítium-ion akkumulátorok fokozott hő- és feszültségérzékenységének csökkentésére. A hajlékony kerámiafóliák ugyanis a korábbiaknál nagyobb hőstabilitást, hosszabb élettartamot és nagyobb működésbiztonságot kölcsönöznek a lítium-ion akkumulátoroknak. Töltéskor, külső feszültség hatására a lítium-ionok az anódhoz, az elektronok a fém-oxid katódhoz áramlanak. Kisütéskor fordított a helyzet: a lítium-ionok a fém-oxid katódhoz, az elektronok mozgása a külső áramkörön keresztül, az anódhoz irányul.

Az akkumulátortechnikák fejlődése

A lítium-ion akkumulátorok különösen érzékenyek az üzemeltetés villamos és termikus viszonyaira. A túlmelegedés ugyanis növeli az elektrolit belső ellenállását, és az aktív anyagok öregedéséhez vezet. Emiatt a lítium-ion akkumulátorok folyamatos működtetése a –25°– +55 °C közötti hőmérséklet és az 50–80%-os töltöttségtartományban precíz akkumulátor-menedzselést igényel. Ennek fenntartásához folyamatos kényszerhűtést kell alkalmazni.

A nagy üzemi hőmérsékleten működő polimer elektrolit vezetőképessége túlságosan csekély.

A Li-ion akkumulátorok jelentősebb használati jellemzői

A hibrid üzemű és a villamos hajtású gépkocsik lítium-ion akkumulátorait, különösen a forszírozott gyorsítások során, védeni kell a termikus megszaladástól. A lítium-ion akkumulátorok fontos eszközei a hibrid gépkocsiknak, ugyanis a jármű értékének 5–10, a plug-in hibrideken pedig a jármű értékének 15–30%-át képviselik.

A lítium-ion akkumulátorok fejlesztése

A fejlődés ígéretes, mert a lítium-ion akkumulátorok fajlagos energiatartalékai ma még csak 10–25%-ban használják ki az elméleti lehetőségeket. E tekintetben a nanotechnika alkalmazása jelentős lehetőségek forrása. Nanocsöves struktúrával különösen vékony elektródok, kisebb méretű cellák, a korábbinál nagyobb energiasűrűségű, kisebb tömegű és térfogatú lítium-ion akkumulátorok készíthetők. A nanocsöves felépítés különösen a pozitív elektródok és a háromkomponensű katódok kialakításában hordoz jelentős fejlesztési lehetőségeket.

Raktározási és biztonsági tudnivalók

A lítium-ion akkumulátorok sajátossága, hogy 40%-os töltésű állapotban jelentősen tovább tárolhatók mint teljesen feltöltve, ezért 40–60%-os töltési szinten hűtve tárolhatók. A lítium-ion akkumulátorok csak speciális elektronikákkal tölthetők. Túltöltés esetén ugyanis robbanást elérő gázkoncentráció is kialakulhat.

A Johnson Controls Cobasys-A123 rendszerű lítium-ion akkumulátora a Chevrolet Volt, mintaszerűen felépített, plug-in rendszerű hibrid járművét látja el energiával

A lítium-ion akkumulátorok hermetikusan lezárt energiatároló eszközök. Tárolásuk során kerülni kell a vízzel való érintkezést, mert a repedt, szivárgó vagy nyitott lítium-ion akkumulátor, az elektrolitnak a vízzel való heves egyesülése, robbanást okozhat. A lítium-ion akkumulátor elektrolit folyadéka tűzveszélyes. Ezért a lángra kapott lítium-ion akkumulátor tüzét soha sem szabad vízzel oltani. Erre a célra csak homok használható.

A járműakkumulátor-technika jövőbeli fejlesztési irányai (japán stratégia)

A lítium-ion akkumulátorok pólusait soha sem szabad rövidre zárni, sem 4,2 V-nál nagyobb feszültségszintre feltölteni, vagy cellánként 2,5 V-nál kisebb feszültségszintre kisütni.

A lítium-ion cellák és azok fejlesztéspiacát ma döntően a japánok uralják. Dél-Korea és Kína fejlődése azonban ennél is dinamikusabb. Az elmúlt év vége óta tudjuk, hogy a kínaiak elkészítették a maguk első hibridhajtású gépkocsiját.

A lítium-ion technika az elkövetkező két évtizedben, a gépkocsiipar számára világos választást jelent. A lítium-ion akkumulátorok ugyanis biztató előrelépést jelentenek a mobil energiatárolás költségcsökkentésében, megbízhatóságában, élettartamában és hibatűrésében.

A plug-in hibrid gépkocsik tömeges elterjedése nemzeti léptékű áramszolgáltató infrastruktúra kiépítését és működtetését igényli

Lítium-ion akkumulátorok

Legfrissebb cikkek