Verdák, Motorosport, Tech

A lítium-ion akkumulátorokról általában

09. MX5-ből villamos hajtású autó

2018. június 15. - kazykazy

Mi is tulajdonképpen egy akkumulátor?

A mai világban annyira elterjedtek és megszokottak az akkumulátorok, hogy valószínűleg az olvasóban ez a kérdés ritkán merült fel. Biztos vagyok benne, hogy az iskolában mindenki megtanulta, hogy miből is áll egy akkumulátort, legalábbis a kémiaórán biztosan mondott róla valaki valamit.

Kezdjük először egy kis történelemmel. Luigi Galvani olasz úriember a 18. században fizikával és bonctannal foglalkozott. Azt vette észre, hogy az egymás mellé akasztgatott békacombok megmozdulnak, ha kettőt összeköt egy fémdarabbal. Galvani úgy gondolta, hogy egy újfajta, “élő elektromosságot” fedezett fel. Alexandro Volta, egy kortársa jött rá arra, hogy nem a békacomb az elektromosság forrása, hanem a felakasztáshoz használt eltérő fémből készült kampók és maga a békacomb kémiai összetétele. Elméletének bizonyításaként a békát lecserélte egy erősen sós vízzel átitatott papírra, a kampók helyett pedig egy réz és egy cink érmét használt. Bizonyítani tudta, hogy ha a két fémet vezetékkel köti össze, akkor villamos áram folyik rajta keresztül. Bárki készíthet ilyen kezdetleges áramforrást magának, például szög, rézdrót és citrom segítségével. A citrom tetszőlegesen helyettesíthető bármilyen gyümölccsel, zöldséggel hússal.

A két eltérő fémet elektródának szokás manapság nevezni, a trutyit, ami a kettő között van pedig elektrolitnak, az egész rendszert pedig galvánelemnek, vagy röviden elemnek.

Az elektródák és az elektrolit között olyan kémia reakció játszódik le, amelynek hatására az egyik elektródon elektronok halmozódnak fel (ennek a szép neve az katód), a másikon meg elhasználja az elektronokat (ennek pedig anód a neve). Ebből következik, hogy ha valaki galád módon összeköti a két elektródot egy rézdróttal, akkor a sok elektron átszalad rajta a katódról az anódra, vagyis elektromos áram folyik a rézdróton. Ez azért jó, mert ha egy izzót kötök a két eletród közé, akkor tudok vele világítani.

Használat során a két elektród szépen lassan átalakul valami olyan anyaggá, ami nem tudja fenntartani a reakciót, vagyis az elem lemerül. A közismert 1.5V-os ceruzaelemek galvánelemek.

1_carbon_zinc_battery.pngSzén-cink elem felépítése
(forrás: wikimedia.org
)

Vannak olyan elektrolit és elektród kombinációk, amelyek közötti kémia reakció megfordítható, ha külsőleg áramot hajtunk át a rendszeren. Ezeket nevezzük akkumulátornak, a külső áram injektálást meg töltésnek.

Vannak olyan elemek, akkumulátorok amelyben még van egy plusz alkatrész: a szeparátor. Ez egy olyan trükkös anyag, ami egyrészt meggátolja hogy a két elektróda összeérjen (ugyanis ha kis méretre törekszünk akkor elég közel kerülnek egymáshoz, akár 10µm nagyságrendben), másrészt átengedi a két elektróda és az elektrolit közötti kémia rakcióban résztvevő ionokat. Amolyan elválaszt, de kémiailag összeköt funkciót tölt be.

Az autós ember leginkább ólom-sav akkumulátorral találkozik. Ez a típus elekrolitként kénsavat használ, az egyik elektróda ólomból, a másik ólom-oxidból készül. Legalábbis ez a helyzet akkor, amikor az akku teljesen fel van töltve. Teljesen lemerülve már mindkét elektróda ólom-szulfáttá alakul. A 12V-os akkumulátor tulajdonképpen 6db akkumulátor cellából áll, a cellák sorba vannak kötve, amiből következik is, hogy egy cella feszültsége 2V névlegesen.

2_lead_acid_battery_graphics.pngÓlom-sav akkumulátor felépítése
(forrás: wikimedia.org)

Milyen a “jó” akkumulátor?

Legyen könnyű! Talán emelgetett már a kedves olvasó autóakkumulátorokat, nem könnyű darabok. Nyilvánvalóan az akku tömegét a felhasznált anyagok és az anyagok mennyisége határozza meg. A felhasznált anyagok mennyiségét nem csökkenthetjük büntetlenül, mert azok vesznek részt a kémia reakcióban, ami a hasznos elektromosságot adja nekünk. Jobban belegondolva a kémiai reakcióban mindig individuális atomok vesznek részt, vagyis adott kapacitású akkuhoz az anyag atomjainak számát nem szabad csökkenteni. Ha lenne olyan atom, ami részt tud venni a reakcióban, de közben kisebb a tömege, akkor az össztömeg csökkenthető. Ha megnézzük a periódusos rendszert, akkor látjuk, hogy az ólom atomtömege meglehetősen magas a többi féméhez képest, tömeg szempontjából nem a legjobb választás. Ebből már nem túl nagy logikai ugrással lehet következtetni arra, hogy miért lítium alapúak a modern járgányok akkujai.

Lehessen sokáig használni töltés nélkül! Erre a tulajdonság jellemzésére találták ki a kapacitást, amit általában amperórában (Ah) mérnek. A kapacitás azt mondja meg, hogy hány órán át bírja szuflával az akku, ha folyamatosan 1A áramerősséggel terhelem. A kapacitásérték változhat a környezeti hőmérséklettől, a terhelőáram nagyságától és még más paraméterektől. Az biztos, hogy ha veszek egy 50Ah és egy 100Ah kapacitású akkut, akkor a 100Ah-s körülbelül kétszer annyi ideig fogja bírni ugyanazon terheléssel. Nagyon nem mindegy, hogy egy akkumulátornak mekkora a kapocsfeszültsége, ugyanis a benne eltárolt energia függ tőle. Ha megszorozzuk a kapacitást a névleges kapocsfeszültség értékkel, akkor megkapjuk a tárolt energiát, amit wattórában (Wh) szokás mérni. Igen, ez valami olyasmi ami a villanyszámlán szokott szerepelni, csak az kilowattóra (kWh), vagyis 1000Wh.

Legyen kicsi is az akkumulátor! Az energiasűrűséget szokás használni arra, hogy összehasonlítsunk különböző akkumulátor típusokat. Ez a mérőszám azt mutatja meg, hogy 1 köbméter akkuban mennyi energiát lehet eltárolni, vagyis Wh/m3 mértékegységgel rendelkezik. Lehet tömegre is vetíteni az energiát, ekkor Wh/kg a mértékegysége. Sajnos a magyar nyelvben mindkét verziót energiasűrűségnek nevezik (az angolban az “energy density” (Wh/m3) és a “specific energy” (Wh/kg) fogalmakat használják). Minél nagyobb ez a mérőszám annál kisebb helyen/kisebb tömegben fér el ugyanaz a tárolt energia.

Jó nagy fogyasztókat is meg tudjon hajtani! Az akkuból kiáramló teljesítményt a kapocsfeszültsége és a rajta átfolyó áramának szorzata adja. Az energiasűrűséghez hasonlóan szokás használni a teljesítménysűrűség fogalmát, amit szintén lehet térfogatra és tömegre is vetíteni, mértékegységei a W/m3 és W/kg.
Minden akkumulátor valamilyen mértékben melegszik amikor áram folyik át rajta. A belső ellenállás nevű paraméter szolgál arra, hogy a melegedést meg tudjuk becsülni. A belső ellenállás több fizikai és kémiai jelenség együttes hatásának eredménye, általában jelentős részét teszi ki az elektródák anyagának villamos ellenállása. Minél nagyobb a belső ellenállás, annál fokozottabban melegedik az akkumulátor ugyanakkora áramerősség mellett. Nyilvánvalóan van valamilyen felső korlátja annak, hogy mennyire melegíthetjük fel az adott cellát, ezért a maximális kisütőáramot is meg szokás adni, általában “C” mértékegységgel. Ezt úgy kell érteni, hogy ha az akku kapacitása 50Ah, kisütő árama meg 2C, akkor 100A-ral lehet maximum terhelni.

Gyorsan lehessen tölteni! Ez gyakorlatilag a maximális töltőáramtól függ. A belső ellenállás nem válogat, töltéskor is áram folyik át a cellán, ez pedig azt jelenti, hogy melegedni fog. Emiatt a töltőáramnak is van felső korlátja, melyet általában szintén “C” mértékegységben adnak meg.

Legyen strapabíró! Vagyis ne kelljen karbantartást végezni rajta, bírja a szélsőséges körülményeket, rázást, ütést. Sajnos az akkuk tipikusan nem ilyen eszközök, de elég nagy különbség lehet két különböző típus között.

Node mit tudnak a lítiumosok?

Az ember hajlamos azt gondolni, hogy a lítium akkuban tiszta lítium fémet használnak. Lítium galvánelemekben egyébként (pl. a gombelemek egy része ilyen) az anód ténylegesen lítiumból készül. Akkukban sokat kísérleteztek vele, de töltéskor apró tűszerű dendritek képződtek az elektróda felületén, ami jól átszúrta a szeparátort és hozzáért a katódhoz, gyakorlatilag belülről zárta rövidre az akkut. Márpedig belülről rövidre zárni egy akkut nem jó dolog, általában ebből fakadnak a tűzesetek.

Az anód általában porózus szénből készül, a katód pedig valamilyen lítiumvegyületből. Sokféle katód alapanyag létezik, és tulajdonképpen ez határozza meg a tulajdonságaikat.

Hordozható eszközökben (mobilok, laptopok, stb.) általában lítium-kobalt-oxidot használnak (LiCoO2 vagy LCO), mert nagy energiasűrűséget lehet vele elérni, cserébe a teljesítménysűrűsége nem olyan jó és a többihez képest rövidebb élettartamú.

3_schematic_of_a_li-ion_battery.jpg

Lítium-ion akkumulátor elvi felépítése
(forrás: wikimedia.org)

Járművekben szükség van a nagy áramerősségre, ebből következik, hogy nagy teljesítménysűrűségű akkura van szükség. A Nissan Leafben például lítium-mangán-oxid (LiMn2O4 vagy LMO) alapú akkut használnak, a Tesla Model S lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxidosat (LiNiCoAlO2 vagy NCA). Érdekesség, hogy a Tesla Powerwallban egy harmadik, lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2 vagy NMC) típust használnak. Ezek a típusok mind nagy energiasűrűségűek és nagy árammal terhelhetők.

Van egy kicsit a sorból kilógó katód anyag, a lítium-vas-foszfát (LiFePO4 vagy LFP). Ez az összes lítiumos közül a legkisebb energiasűrűséggel rendelkezik, sőt még nehéz is, cserébe viszont kevésbé érzékeny a túltöltésre, túlmelegedésre. Szóval a legbiztonságosabb típus.

4_li_chart.png

Ha valahol lítium-polimer akkuról beszélnek, akkor igazából nem tudjuk pontosan milyen katód anyagról van szó, ugyanis ez csak arra utal, hogy a szeparátor funkcióját nagyon vékony zselészerű elektrolittal átitatott anyag látja el. Ezzel a technológiával 10um nagyságrendű szeparátor vastagságot is el lehet érni, ami nyilvánvalóan csökkenti az akku térfogatát, vagyis növeli az energiasűrűséget. A nagy energiasűrűségű lítium-ion alapú akkuk mind ezt a technológiát használják, vagyis mindegyik lítium-polimer akkunak mondható.

Minden lítium-ion akku típusnak meg van a rá jellemző kapocsfeszültsége, LiFePO4 esetén ez névlegesen 3.3V, másoknál 3.7V. A kapocsfeszültség természetesen a használat során változik, LiFePO4 esetén 2.65V-3.65V között, más típusoknál 3V-4.2V között. Minden akkucellához a gyártó megadja, hogy mekkora a minimálisan és maximálisan megengedhető kapocsfeszültség. Ezeket a határértékeket komolyan kell venni, mert átlépésű drasztikus élettartam csökkenést vagy biztonsági kockázatot jelenthet (erről részletesen lesz szó egy kicsit később). Emiatt a fenti kapocsfeszültség tartományok csak tájékoztató jellegű, tipikus értékek.

Minden típus sajnos rendelkezik egy kritikus hőmérsékletértékkel. Ha e fölé emelkedik az akkumulátorcella hőmérséklete, akkor olyan hőtermelő kémia folymatok indulnak meg a belsejében, ami önfenntartóvá tud válni, vagyis a cella füstölni, égni kezd. Ezt a jelenséget hőmegfutásnak nevezik. Természetesen ezt a kritikus hőmérséklet értéket nem úgy kell elképzelni, hogy alatta 0.0001°C-al még nem történik semmi, 0.0001°C-al felette meg már kigyullad a cella. Inkább egy biztonsági határként kell értelmezni: ha a cella hőmérséklete a határérték alatt marad, akkor nem lesz gond vele.

A legtöbb lítium-ion akku melegen sokkal jobban teljesít, nagyobb áramot lehet belőlük kivenni (a belső ellenállásuk kisebb). Komoly járművekben az akkumulátorok fűthetőek/hűthetőek, hogy mindig használható hőmérséklettartományban tartsák a cellákat.

Biztonság

Talán mindenki hallott már róla, hogy az ólom-sav akkuk töltéskor egy bizonyos feszültség felett az elektrolit elkezd buborékolni, tulajdonképpen a benne levő víz elkezd alkotóelemeire, hidrogénre és oxigénre bomlani. Remélem sejthető, hogy ez egy robbanásveszélyes gázelegy.

A 12V-os ólomakkuban 6db sorba kötött akkumulátorcella van. Ha valamiért valamelyik cella töltöttsége eltér a többitől, akkor töltéskor a másik ötöt hamarabb feltöltjük mint a lemaradottat, ebből következhetne, hogy a többi cellát túltöltjük és katasztrófa lesz. Mégsem tapasztaljuk ezt. Az ok pont a vízbontásban keresendő, a jobban feltöltött celláknál a betáplált töltő energia a vízbontásra fordítódik nem pedig a töltési kémiai reakcióra, így előbb-utóbb kiegyenlítődnek a cellák között a töltöttségi viszonyok. A keletkező gázt vagy egyszerűen elvezetjük (ebben az esetben gondoskodni kell az elbontott víz pótlásáról) vagy trükkös módon visszaalakítjuk vízzé (ezek a gondozásmentes akkumulátorok). Természetesen a tartós túltöltés nem tesz jót az akkunak, de legalább nem kell aggódnunk, hogy kigyullad.

A lítium-ion alapú akkukban nincs olyan folyamat, ami túltöltés környékén alternatív úton elnyelné a töltési energiát, ezért nagyon-nagyon oda kell figyelni a töltés befejezésére. Általánosan elmondható, hogy a túltöltött lítium-ion akkuk kritikus hőmérséklete drasztikusan lecsökken, így sokkal érzékenyebbek lesznek a hőmérsékletre. A tartósan magas cellafeszültség (túltöltés) általában fémes lítium kiválását okozza az anódon, a katód pedig szén-dioxid gázt fejleszt. A gázfejlődés addig növeli a belső nyomást, amíg a burkolat meg nem adja magát, ami általában egy mini robbanásként valósul meg. A levegőben lévő nedvesség előszeretettel reagál el a kivált lítiummal, ami hőt termel és ez például már elég tud lenni ahhoz, hogy a teljes akku kigyulladjon.

A túltöltés elkerülése érdekében egy eletkronikának folyamatosan figyelnie kell a cellák feszültségét és ha a kritikus érték fölé emelkedik, akkor le kell tiltania a töltést. Nyilvánvalóan ha több cellát kötünk sorba, akkor minden egyes cellán külön-külön kell a feszültséget felügyelni.

A lítium-ion akkuk nem csak a túltöltésre, hanem a mélykisütésre is érzékenyek. Alacsony cellafeszültségen tartás után töltéskor az elektródákon apró dentritek képződnek, amik gyakran átszúrják a vékony szeparátort, lokális rövidzárakat hoznak létre. Első körben ez csak megnövekedett önkisüléshez vezet, rosszabb esetben olyan mértékű hőtermeléshez, ami hőmegfutást (thermal runaway) okoz. Tehát mélykisült lítium-ion akkut nagyon kockázatos újratölteni és tovább használni. A túltöltést figyelő elektronikának a mélykisütést is meg kell akadályoznia.

A hőmegfutás megelőzése érdekében az akkucellák hőmérsékletét is folyamatosan monitorozni kell. A megengedhető maximális és minimális üzemi hőmérsékletet a gyártók megadják minden akkuhoz, ezeket a határokat érdemes betartani, akkor nem lehet baj. Általában a töltés nem megengedett 0°C alatt, ugyanis ilyenkor fémes lítium válhat ki az anódon, ami csökkenti az akku teljesítőképességét és sokkal érzékenyebb lesz a mechanikai behatásokra.

 

Kivitel

Lítium-ion akkukat sokféle kivitelben gyártanak. A henger alak egy tipikus kialakítás, azok közül is a 18650-es a leggyakoribb típus. Ez az arbitrálisnak tűnő szám azt jelenti, hogy az akku 18mm átmérőjű és 65,0mm hosszú. A hengeres kialakítás könnyű gyártást tesz lehetővé, egyszerűen csak fel kell tekerni az anód-szeparátor-katód szendvicset. Általában egy akkumulátorban több ilyen hengeres cellát kell sorba és/vagy párhuzamosan kötni, hogy elérjük a kívánt feszültséget és a kívánt terhelhetőséget. Hengeres cellákból építkezve a helykihasználás nem lesz optimális, mivel nem tudjuk úgy összerakni őket, hogy ne legyen köztük valamennyi üres hely. Ettől függetlenül a Teslákban előszeretettel használják, talán azért, mert a többi kivetellel ellentétben a cellákat könnyen össze lehet kötni egymással ponthegesztés vagy érintkezők segítségével.

5_panasonic_18650.jpg

Panasonic NCR18650B akkumulátorok

Léteznek tartályos cellák, ezek általában masszív alumínium vagy műanyag tokkal rendelkeznek. Nyilvánvalóan a mechanikai behatások ellen nagyon jól védettek és elég jó helykihasználással tudunk belőlük építkezni. Hátrányuk, hogy a tokozás általában relatíve nagy helyet foglal és nagy tömegű, ezért igazán csak nagy kapacitású cellák esetén szokták alkalmazni. Tipikusan a masszív hajtásláncokba szánt LiFePO4 cellákat szokták ilyen formátumban készíteni. Általában csavaros kivezetéseik vannak, így könnyű egymással összekötni őket.

6_winston_prism.jpg

Egy tartályos kialakítású akkumulátorcella

Vannak tasakos cellák is, amit én csak zacskósnak szoktam hívni. Ebben a kivitelben egy műanyag vagy fém tasakba helyezik el az anód-szeparátor-katód szendvicset, majd légmentesen lezárják. A kivezetések általában két fém fül segítségével valósulnak meg, az egyik tipikusan alu, a másik réz. Ez a kivitel nagyon jó helykihasználást tesz lehetővé, cserébe az akku építésekor kell gondoskodni a megfelelő rögzítésről, ugyanis a kivezető fülek könnyen letörhetnek. A füleket értelmes és biztonságos módon csak valamilyen speciális mechanikai megoldással vagy hegesztéssel lehet összekötni.

7_pouch.jpg

Tasakos akkumulátor cellák

Minden lítium-ion cellatípusnál érdemes elkerülni a cellafül hosszan tartó melegítését (tipikusan a forrasztás ilyen), ugyanis a kivezetésekről nagyon jól bemegy a meleg a cella belsejébe, ahol aztán elindul a hőmegfutás és a kigyulladás.

A lényeg

Ha lítium-ion akku használatán gondolkozunk, akkor jusson eszünkbe, hogy kelleni fognak mellé feszültség monitorozó és beavatkozó elektronikák. Ha megbízható és nagyobb feszültségű akkumulátort építünk, akkor szükség lesz még előtöltő- és kisütő-áramkörökre, szigetelésvizsgálatra, hiba-monitorozásra, stb.

Ha nem a tömeg és térfogat minimalizálása a cél, akkor érdemes elgondolkodni tartályos LiFePO4 akkuk beszerzésén, azokkal könnyen lehet dolgozni. Mindig tartsuk észben, hogy a lítium-ion akkumulátorok tűzveszélyesek, legyünk felkészülve egy esetleges tűzeset kialakulására.

A bejegyzés trackback címe:

https://apexnews.blog.hu/api/trackback/id/tr6914045106

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

akos27 2018.06.23. 16:50:19

Köszi! Még több ilyen szintű leírást, élvezet olvasni. :-)

greatz 2018.07.12. 10:03:50

Klassz összefoglaló! Irdatlan mennyiségű írás akkutechnológiákról (kezdve az őskortól): batteryuniversity.com