A lítium-ion akkumulátorok osztályozása az anyagok szempontjából

(A lítium-ion akkumulátorok osztályozása az anyagok szempontjából)

Az ólom- és nikkelalapú akkumulátorokhoz hasonlóan a lítium-ionok pozitív elektródát (katódot), negatív elektródát (anódot) és elektrolitot használnak vezetőként. A pozitív huzal fém-oxid, a negatív elektróda pedig porózus grafitból áll. A kisülés során a lítium-ionok az elektroliton és a szeparátoron keresztül a negatív elektródáról a pozitív elektródára mozognak; töltés közben a lítium-ionok a pozitív elektródáról a negatív elektródára ellentétes irányban áramlanak.

 

Az akkumulátor feltöltésekor és kisütésekor a Li+ ingázik a pozitív és negatív elektródák között, kisülés közben az anód oxidálódik, elektronokat veszít, a katód pedig redukálódik, hogy részecskéket nyerjen; töltéskor a töltés az ellenkező irányba mozog.

 

Az elektróda anyagától függően sokféle lítium-ion akkumulátor létezik. De ha különböző anyagokat választ, az akkumulátor teljesítménye nagymértékben változhat.

 

A pozitív elektródák mind Li+-ot tartalmaznak. Közönséges lítium-kobalt-oxid (lítium-kobalt-oxid), lítium-mangán-oxid (más néven spinell vagy lítium-manganát), lítium-vas-foszfát, nikkel-kobalt-mangán hármas anyag (NMC) [3] és lítium-nikkel-kobalt Alumínium-oxid (NCA). Ezen anyagok mindegyikének van elméleti felső energiahatára (a lítium-ion elméleti kapacitása körülbelül 2000 kWh, ami több mint tízszerese egy kereskedelmi forgalomban kapható lítium-ion akkumulátor fajlagos energiájának).

 

A Sony eredeti lítium-ion akkumulátora kokszot (szénterméket) használ káros elektródaanyagként. 1997 óta a legtöbb lítium-ion akkumulátorgyártó, köztük a Sony is, az anódanyagokat grafittá alakítja, ami lapos kisülési görbét eredményez. A grafit a szén egyik formája, amelyet ceruzákban használnak. Töltés közben jól tárolja a lítium-ionokat, hosszú ciklusú és kiváló stabilitású. A szénanyagok közül a grafit a leggyakoribb, ezt követi a kemény szén és a lágy szén. Más szénatomok, mint például a szén nanocsövek, még nem találták meg kereskedelmi felhasználásukat. Az alábbi ábra egy modern lítium-ion akkumulátor feszültségkisülési görbéit hasonlítja össze negatív elektródaként grafittal és egy régi koksz negatív elektródával rendelkező lítium-ion akkumulátor feszültségkisülési görbéit.

 

A normál üzemi kisülési tartományban az akkumulátornak lapos feszültséggörbével kell rendelkeznie, ami jobb, mint a korábbi koksz.

 

Az anódanyagok is fejlődnek, és a kutatók folyamatosan kísérleteznek új anyagokkal, köztük szilícium alapú ötvözetekkel. Ebben az ötvözetben hat szénatom kapcsolódik egy lítium-ionhoz, és egy szilíciumatom négy lítium-iont tud kötni. Ez azt jelenti, hogy a negatív szilíciumelektróda elméletileg a grafitanyag energiájának tízszeresét képes tárolni. Jelenleg a szilícium anyagok fajlagos kapacitása 20-30%-kal nőtt a terhelési potenciál és a ciklus élettartamának csökkenése árán. A probléma azonban az, hogy a töltési folyamat során a lítium-ionok térfogata könnyen kitágul, miután beágyazódott a szilícium alapú anyagba (a kezdeti méret több mint négyszeresére nő).

 

A nanostrukturált lítium-titanát só jó élettartammal és terhelhetőséggel, kiváló alacsony hőmérsékletű teljesítménnyel és funkcionális biztonsági teljesítménnyel rendelkezik, mint káros elektródaanyag. Ennek ellenére specifikus funkciója alacsony, és a költségek magasak.

(A lítium-ion akkumulátorok osztályozása az anyagok szempontjából)