Litiumioniakku (Li- ion ) on sähköakkutyyppi , jota käytetään laajasti nykyaikaisessa kulutuselektroniikassa ja jota voidaan käyttää virtalähteenä sähköajoneuvoissa ja energian varastointilaitteissa sähköjärjestelmissä. Se on suosituin akkutyyppi laitteissa, kuten matkapuhelimissa , kannettavissa tietokoneissa , digitaalikameroissa , videokameroissa ja sähköajoneuvoissa . Vuonna 2019 Whittingham, Goodenough ja Yoshino saivat kemian Nobelin palkinnon litiumioniakkujen kehittämisestä.
Vuonna 1970 Michael Stanley Whittingham osoitti ensimmäistä kertaa perustavanlaatuisen mahdollisuuden luoda litiumakkuja, jotka perustuvat titaanidisulfidin tai molybdeenidisulfidin kykyyn sisällyttää litiumioneja akun purkauksen aikana ja erottaa ne latauksen aikana . Tällaisten akkujen merkittävä haittapuoli oli alhainen jännite - 2,3 V ja suuri palovaara, joka johtuu litiummetallidendriittien muodostumisesta, jotka sulkevat elektrodit.
Myöhemmin J. Goodenough syntetisoi muita materiaaleja litiumakun katodille - litiumkobaltiitti Li x CoO 2 (1980), litiumferrofosfaatti LiFePO 4 (1996). Tällaisten akkujen etuna on korkeampi jännite - noin 4 V.
Akira Yoshino keksi vuonna 1991 grafiittianodilla ja litiumkoboltiittikatodilla varustetun litiumioniakun modernin version . Sony Corporation julkaisi ensimmäisen hänen patenttinsa mukaisen litiumioniakun vuonna 1991 .
Parhaillaan tutkitaan piihin ja fosforiin perustuvia materiaaleja, jotka lisäävät litiumionien interkalaatiokykyä ja korvaavat litiumioneja natriumioneilla .
Muut tutkimukset vähentävät ikääntymisen vaikutusta ja pidentävät käyttöikää. Esimerkiksi bis-imino-asenaftenekvinoni-parafenyleenin (bis-imino-asenaftenekvinoni-parafenyleeni, BP) käyttö säästää 95 prosenttia akun kapasiteetista jopa 1700 latausjakson jälkeen. [1] [2]
Whittingham, Goodenough ja Yoshino saivat Nobelin kemian palkinnon vuonna 2019 sanamuodolla "litiumioniakkujen kehittämisestä".
Kemiallisen koostumuksen ja laitteen mukaan litiumioniakut jaetaan tyyppeihin, jotka eroavat suuresti kuluttajaominaisuuksiltaan.
Tällä lajikkeella on suurin kapasiteetti, mutta se on vaativa työolosuhteille ja sen resurssit ovat hyvin rajalliset. Käyttöjännitealue on 3 - 4,2 V. Suurin ominaisenergiankulutus on jopa 250 Wh / kg, huippupurkausvirta on enintään kaksi kapasiteettia (eli 2 Ah:n akun sallittu virta on 4 A) , pitkäaikainen purkausvirta on enintään yksi säiliö.
Akun pitkäaikaissäilytyslämpötila -5°C 40-50 % latauksella. Litium-kobolttiakut ovat räjähdysherkkiä ja voivat syttyä palamaan, jos ne ylikuumentuvat tai syväpurkautuvat. Näistä syistä ne on yleensä varustettu suojalevyllä ja merkitty suojatuksi. Purkausjännite - vähintään 3 V. Räjähtävä, jos kotelo on vaurioitunut, vanhenee nopeasti (keskimääräinen käyttöikä - 3-5 vuotta, "lataus-purkaus" -jaksoissa - enintään 500). Suurvirran lataus ei ole toivottavaa. Erittäin myrkyllistä syttyessään.
Kestävämpi ja turvallisempi kuin koboltti, korkeavirtalataus on hyväksyttävää. Käyttöjännitealue - 2,5 - 4,2 V. Ominaisenergiankulutus - 140-150 Wh / kg. Resurssi - noin 5-6 vuotta - jopa 1000 lataus-purkausjaksoa. Suuri virta kuormitettuna - jopa 5 kapasiteettia. Purkausraja on 2,5 V, mutta resurssin pienentäminen on mahdollista. INR-akuissa on harvoin suojalevy, mutta latauspiirissä on aina jänniterajoitus. Ei toimi alle -10 °C. Riittävän turvallinen käyttää, ei räjähtää tai syty. Niillä on alhainen itsepurkaus.
Uusin sukupolvi suurimmalla resurssilla. Käyttöjännitealue on 2-3,65 V, nimellisjännite 3,2 V. Ominaisenergiankulutus on noin 150 Wh/kg. Resurssi - 10-20 vuotta, noin 1500-3000 lataus-purkausjaksoa (jopa 8000 lievissä olosuhteissa). Suuri kuormitusvirta (jopa 10 kapasiteettia) ja vakaa purkausjännite sopivat ihanteellisesti sähköajoneuvoihin, rovereihin, polkupyöriin ja vastaaviin sovelluksiin. Purkaus lähellä jännitteen alarajaa (2 V) voi vähentää resurssia. Turvallinen suurvirtalataus on sallittu. Ankarimmissa käyttöolosuhteissa ne eivät päästä kaasua, eivät räjähdy tai syty.
Suurin kestävyys ja laaja käyttölämpötila-alue. Käyttöjännitealue ja 1,6 - 2,7 V, nimellisjännite - 2,3 V. Ominaisenergiankulutus - noin 100 Wh / kg. Resurssi - yli 15 000 lataus-purkausjaksoa. Lämpötila-alue -30 °C - +60 °C. Sillä on erittäin alhainen vastus, mikä mahdollistaa erittäin nopean latauksen käytön, ja alhainen itsepurkautuminen, noin 0,02 % päivässä.
Alkuaineiden pääindikaattorit kemiallisesta koostumuksesta riippuen ovat seuraavissa rajoissa:
Lähes aina akun koteloon on sisäänrakennettu ohjain (tai PCM-kortti ( englanniksi Protection Circuit Module )), joka ohjaa latausta ja suojaa akkua ylilatausjännitteeltä, ylipurkautumiselta ja ylikuumenemiselta, mikä johtaa ennenaikaiseen hajoamiseen tai tuhoutumiseen. . Tämä ohjain voi myös rajoittaa virrankulutusta ja suojata oikosululta . Muista kuitenkin, että kaikki akut eivät ole suojattuja. Valmistajat eivät saa asentaa sitä kustannusten ja painon vähentämiseksi, ja laitteissa, joissa on sisäänrakennettu suojaohjain, akut (esimerkiksi kannettavat tietokoneet) käyttävät akkuja ilman sisäänrakennettua suojalevyä [7] .
Litiumakuilla on erityisvaatimuksia, kun useita kennoja kytketään sarjaan . Tällaisten monikennoisten akkujen laturit tai itse akut on varustettu kennotasapainotuspiirillä. Tasapainotuksen pointti on se, että kennojen sähköiset ominaisuudet voivat vaihdella hieman ja jotkut kennot saavuttavat täyden latauksen/purkauksen ennen toisia. Samanaikaisesti on tarpeen lopettaa tämän kennon lataaminen ja jatkaa loput, koska litiumioniakkujen ylipurkaus tai ylilataus poistaa ne käytöstä. Tämän toiminnon suorittaa erityinen solmu - tasapainotin (tai BMS-kortti ( englanniksi Battery Management System ) [8] ). Se ohittaa ladatun solun niin, että latausvirta menee sen ohi. Tasapainottimet suorittavat samanaikaisesti sekä suojalevyn toiminnon kunkin akun suhteen että akun kokonaisuutena [9] [10] .
Laturit voivat tukea loppulatausjännitettä välillä 4,15-4,25 V.
On olemassa AA- ja AAA-kokoisia litiumioniakkuja ja litiumpolymeeriakkuja, joiden jännite on 1,5 V. Niissä ei ole vain suojapiiriä, vaan myös sisäänrakennettu elektroninen jännitteenmuunnin ( eng. DC-DC converter ). Erona tällaisten akkujen välillä on stabiloitu jännite 1,5 V:n koskettimissa riippumatta itse akkukennon käyttöjännitteestä ja sen hetkellisestä nollauksesta, kun litiumkenno puretaan alempaan sallittuun rajaan ja ylipurkautumissuoja laukeaa. Nämä akut voidaan sekoittaa samankokoisiin 14500 ja 10440 3,7 V akkuihin sekä ei-ladattaviin kertakäyttöisiin litiumakkuihin . Kaikki ne on merkitty eri tavalla.
Litiumioniakku koostuu elektrodeista (katodimateriaali alumiinifoliolla ja anodimateriaali kuparikalvolla), jotka on erotettu huokoisella elektrolyytillä kyllästetyllä erottimella. Elektrodipakkaus asetetaan suljettuun koteloon, katodit ja anodit on kytketty virranottoliittimiin. Runko on joskus varustettu varoventtiilillä, joka vapauttaa sisäisen paineen hätätilanteissa tai käyttöolosuhteiden rikkomuksissa. Litiumioniakut eroavat käytetyn katodimateriaalin tyypistä. Litiumioniakun varauksen kantaja on positiivisesti varautunut litiumioni, jolla on kyky interkaloitua (interkaloitua) muiden materiaalien kidehilaan (esimerkiksi grafiitiksi, oksideiksi ja metallisuoloiksi) muodostaen kemikaalia. sidos esimerkiksi: grafiitiksi muodostaen metallien LiC 6 :ta , oksideja (LiMnO 2 ) ja suoloja (LiMn R O N ).
Aluksi negatiivilevyinä käytettiin litiummetallia , sitten hiilikoksia . Myöhemmin grafiittia alettiin käyttää . Kobolttioksidien käyttö mahdollistaa akkujen toiminnan paljon alhaisemmissa lämpötiloissa, lisää yhden akun purkaus-/latausjaksojen määrää. Litium-rauta-fosfaattiakkujen leviäminen johtuu niiden suhteellisen alhaisesta hinnasta. Litiumioniakkuja käytetään sarjassa, jossa on valvonta- ja ohjausjärjestelmä - SKU tai BMS (akunhallintajärjestelmä) - ja erityinen lataus-/purkauslaite.
Tällä hetkellä litiumioniakkujen massatuotannossa käytetään kolmea katodimateriaaliluokkaa:
Litiumioniakkujen sähkökemialliset piirit:
Alhaisen itsepurkautumisen ja suuren lataus-/purkausjaksojen lukumäärän vuoksi Li-ion-akut ovat suosituimpia vaihtoehtoisessa energiassa. Samanaikaisesti ne on varustettu I&C-järjestelmän lisäksi inverttereillä (jännitemuuntimilla).
Yleisesti käytetyt litiumioniakut ovat usein erittäin syttyviä, kun ne on ladattu liikaa, ladattu väärin tai vaurioitunut mekaanisesti.
Ensimmäisen sukupolven Li-ion-akut olivat räjähdysvaikutuksen kohteena. Tämä selittyi sillä, että he käyttivät metallista litiumia valmistettua anodia, johon useiden lataus-/purkausjaksojen aikana ilmaantui spatiaalisia muodostumia ( dendriittejä ), jotka johtivat elektrodien oikosulkuun ja sen seurauksena tulipaloon tai räjähdykseen. . Tämä puute korjattiin lopulta korvaamalla anodimateriaali grafiitilla. Samanlaisia prosesseja tapahtui myös kobolttioksidiin perustuvien litiumioniakkujen katodeissa, kun toimintaolosuhteita rikottiin (ladattiin uudelleen). Litium-ferrofosfaattiakut ovat täysin vailla näitä puutteita.
Litiumakuilla on toisinaan taipumus räjähdysmäiseen itsestään syttymiseen. [18] [19] [20] Jopa miniakuista palamisen voimakkuus on sellainen, että se voi johtaa vakaviin seurauksiin. [21] Lentoyhtiöt ja kansainväliset järjestöt ryhtyvät toimenpiteisiin rajoittaakseen litiumakkujen ja -laitteiden kuljettamista niiden mukana lentoliikenteessä. [22] [23]
Litiumakun spontaania palamista on erittäin vaikea sammuttaa perinteisin keinoin. Viallisen tai vaurioituneen akun lämpökiihdytysprosessissa ei tapahdu vain varastoidun sähköenergian vapautumista, vaan myös useita kemiallisia reaktioita, jotka vapauttavat palamista tukevia aineita, palavia kaasuja elektrolyytistä [24] ja myös muiden kuin LiFePO4-elektrodien [25] tapauksessa happi. Tästä syystä leimahtava akku pystyy palamaan ilman pääsyä ilmaan, ja eristyskeinot ilmakehän hapesta eivät sovellu sen sammuttamiseen. Lisäksi metallinen litium reagoi aktiivisesti veden kanssa muodostaen palavaa vetykaasua, joten litiumakkujen sammuttaminen vedellä on tehokasta vain sellaisille akkutyypeille, joissa litiumelektrodin massa on pieni. Yleensä litiumakkupalon sammuttaminen on tehotonta. Sammutustyön tarkoituksena voi olla vain akun lämpötilan alentaminen ja liekkien leviämisen estäminen [26] [27] [28] .
Perinteisesti uskottiin, että toisin kuin Ni-Cd- ja Ni-MH- akut, Li-Ion-akut ovat täysin vapaita muistiefektistä . Paul Scherer Instituten (Sveitsi) tutkijoiden vuonna 2013 tekemän tutkimuksen tulosten mukaan tämä vaikutus kuitenkin havaittiin, mutta se osoittautui merkityksettömäksi. [29]
Syynä tähän on se, että akun toiminnan perustana ovat litiumionien vapautumis- ja talteenottoprosessit, joiden dynamiikka heikkenee epätäydellisen latauksen yhteydessä. [30] Latauksen aikana litiumionit poistuvat yksitellen litiumferrofosfaatin hiukkasista, joiden koko on kymmeniä mikrometrejä. Katodimateriaali alkaa erottua hiukkasiksi, joilla on eri litiumpitoisuus. Akku latautuu sähkökemiallisen potentiaalin lisääntymisen taustalla. Jossain vaiheessa se saavuttaa rajansa. Tämä johtaa jäljellä olevien litiumionien nopeutettuun vapautumiseen katodimateriaalista, mutta ne eivät enää muuta akun kokonaisjännitettä. Jos akkua ei ole ladattu täyteen, katodille jää tietty määrä lähellä rajatilaa olevia hiukkasia. He melkein saavuttivat litiumionien vapautumisen esteen, mutta heillä ei ollut aikaa voittaa sitä. Purkauksen aikana vapaat litiumionit pyrkivät palaamaan paikoilleen ja yhdistymään uudelleen ferrofosfaatti-ionien kanssa. Katodin pinnalla niitä kuitenkin kohtaavat myös rajatilassa olevat hiukkaset, jotka sisältävät jo litiumia. Takaisinotto vaikeutuu ja elektrodin mikrorakenne häiriintyy.
Tällä hetkellä harkitaan kahta tapaa ratkaista ongelma: muutoksia akun hallintajärjestelmän algoritmeihin ja katodien kehittämiseen, joiden pinta-ala on kasvanut.
Syväpurkaus tuhoaa litiumioniakun kokonaan. Akun käyttöikään vaikuttaa myös sen purkautumissyvyys ennen seuraavaa latausta ja latausta valmistajan ilmoittamia suuremmilla virroilla. Akun alhaisesta sisäisestä resistanssista johtuen latausvirta riippuu suuresti sen napojen jännitteestä latauksen aikana. Latausvirta riippuu akun ja laturin välisestä jännite-erosta ja sekä itse akun että siihen kytkettyjen johtojen resistanssista. Latausjännitteen nousu 4 % voi johtaa latausvirran lisääntymiseen kertoimella 10, mikä vaikuttaa negatiivisesti akkuun, riittämättömällä lämmönpoistolla, se ylikuumenee ja hajoaa. Tämän seurauksena, jos akun jännite ylittyy vain 4 %, se menettää kapasiteettia kaksi kertaa nopeammin syklistä toiseen [31] .
Litiumparistot vanhenevat, vaikka niitä ei käytetä. Näin ollen ei ole järkevää ostaa akkua "varassa" tai mennä liian mukaan "säästämällä" sen resursseja.
Li-ion-akkujen optimaaliset säilytysolosuhteet saavutetaan 40 % latauksella akun kapasiteetista ja 0 ... 10 °C lämpötilasta [32] .
| Lämpötila, ⁰C | 40 % latauksella, % vuodessa | 100 % latauksella, % vuodessa |
|---|---|---|
| 0 | 2 | 6 |
| 25 | neljä | kaksikymmentä |
| 40 | viisitoista | 35 |
| 60 | 25 | 60 (40 % kolmessa kuukaudessa ) |
Kuten muidenkin akkutyyppien kohdalla, tyhjennys matalissa lämpötiloissa vähentää energiantuotantoa, erityisesti alle 0 ⁰C:n lämpötiloissa. Näin ollen lähtöenergian syötön lasku lämpötilan laskeessa +20 ⁰C:sta +4 ⁰C:een johtaa lähtöenergian laskuun ~5-7 %, purkauslämpötilan edelleen lasku alle 0 ⁰C johtaa lähtöenergian menetys kymmeniä prosentteja. Akun purkaminen lämpötilassa, joka ei ole alhaisempi kuin akun valmistaja on ilmoittanut, ei johda niiden huononemiseen (resurssien ennenaikaiseen kulumiseen). Muiden akkutyyppien tapaan yksi ratkaisu ongelmaan on sisäisellä lämmityksellä varustetut akut [33] .
