Akkumulátor technológia: lítium alapú akkumulátorok

A modern elektromos autózás megteremtésében az anyagtechnológia, azon belül is az akkumulátortechnológia fejlődése játszotta és játssza ma is a legnagyobb szerepet. Hogy ezt jobban megértsük, érdemes megismerkedni az energiatárolás fejlődésével. Öt részes cikksorozatunk elkalauzol az akkumulátorok fejlődésének legfontosabb állomásaira és segít megérteni, hogy miért a lítiumion technológia az, ami újabb esélyt adott az elektromos autózásnak.

A sorozat előző részében a nikkel alapú akkumulátorokkal ismerkedtünk meg. Ebben a részben pedig a modern kor egyik legnagyobb technológiai áttörésével, a gyűjtőnéven csak  lítiumion (Li-ion) akkumulátoroknak hívott, valójában igen sokféle típust tartalmazó családdal bővíthetjük tudásunkat.

Li-ion akkumulátorok fejlődése

A lítium a legkönnyebb fém a periódusos rendszerben, de egyben a legnagyobb elektrokémiai potenciállal is rendelkezik. Ennek köszönhető, hogy az egyik legnagyobb energiasűrűségű akkumulátor alapanyaga lehet. Olvadáspontja 180,5 C fok, ami határt szabhat a működési hőmérsékletének. A lítium felhasználásának lehetőségét a különböző tölthető és nem tölthető áramforrásokban egy amerikai kémikus, Gilbert Newton Lewis már 1912-ben felvetette, de a 70-es évekig kellett várni, mire elkészült az első kereskedelmi forgalomban kapható, nem tölthető lítiumelem. Ezt követően újabb évtizedek teltek el sikertelen próbálkozásokkal, amelyek a tölthető lítiumakkumulátor megalkotására irányultak.  A legnagyobb problémát a cella instabilitása okozta. Az elektróda és az elektrolit között lévő szeparátor átszakadt és zárlatot okozott, ennek hatására a lítium felforrósodott, megolvadt és láncreakciót indított el, aminek a cella felrobbanása lett a következménye.

A lítiumakkumulátor kémiája. Forrás: http://4.bp.blogspot.com

Stabil cella csak akkor jött létre, amikor a lítiumot valamilyen vegyület formájában alkalmazták elektrolitként és oxidja formájában a cella katódjaként. Anódként szenet, vagyis grafit elektródát használtak. 1991-ben a Sony dobta piacra a világon elsőként a lítiumion akkumulátort, amely a későbbiekben a vezető akkumulátorfajtává nőtte ki magát. A lítium cellára a magas, 3,6 V-os cellafeszültség mellett a nagy energiasűrűség, az egyenes töltési-kisütési karakterisztika és a jó energetikai hatásfok jellemző.

A folyamatos kutatás-fejlesztésnek köszönhetően, míg 1994-ben egy 18650 jelölésű (méretű) cella előállítási költsége meghaladta a 10 amerikai dollárt, kapacitása pedig 1100 mAh körül alakult, addig 2001-ben az ár 3 dollárra csökkent, a kapacitás pedig 1900 mAh-ra nőtt. Manapság az ilyen lítiumion akkumulátorok ára tovább csökken, miközben a 3000 mAh-át is túllépi egy cella tárolókapacitása és a tendencia folytatódik.

Több kedvező tulajdonság mellett léteznek ezeknek a celláknak hátrányai is. A kezdeti instabilitás jelentősen csökkent, de a töltése és kisütése pontos felügyeleti elektronikát igényel. Ennek hiányában az akku nagyon hamar a kukában végezheti vagy ami ennél is rosszabb, felrobbanhat. Ez szó szerint robbanást jelent, ugyanis a cella belsejében végbemenő kémiai reakció sebessége olyan gyors, hogy a burkolatnak nincs ideje kiengedni a keletkező gázokat.

A lítiumion akkumulátorok számos összetételben, méretben és formában léteznek, amely sokszínű felhasználást tesz lehetővé a hordozható készülékekben.

A lítiumakkumulátorok megjelenési formái

Az akkumulátorok számtalan szabványos tokozásban testet ölthetnek, mégis vannak olyan formák, amelyek egy-egy technológiához köthetők, azzal egy időben terjedtek el. Ilyen a lítiumakkumulátor esetén a hengeres forma (Cylindrical cell), vagyis egy kör alapú hasáb.

Hengeres lítiumcella. Forrás: powerelectronicsnews.com

A hagyományos ceruzaelemeknél minden irányban nagyobb tokozás segít elkerülni az akkumulátorok véletlen felcserélődését. A hengeres tokozás azért is ideális a lítiumcellák számára, mert ennek a felépítésnek a legnagyobb a mechanikai szilárdsága. Az elektromos autók esetén ez a tulajdonság különösen nagy hangsúlyt kap.

Gombakkumulátorok. Forrás: 2012books.lardbucket.org

Gyakori a lapos gombelemre jellemző felépítés is (Button cell), jellemzően kisméretű és energiaigényű hordozható készülékek számára. Érdemes vigyázni velük, mert pontosan ugyanúgy néznek ki mint nem tölthető társaik.

Mobiltelefon akkumulátor. Forrás: technave.com

A szögletes, téglatest alakú li-ion akkumulátorok előfordulása is meglehetősen gyakori. A mobiltelefonok, tabletek és vékony notebookok energiatárolójaként találkozhatunk velük. A lapos, szögletes cellák kétféle mechanikai védelmi szinten készülnek. A gyengébbet a szakirodalom csak zacskós akkumulátorként (Pouch cell) emlegeti, mivel az elektrolit kifolyását egy műanyag fólia akadályozza meg. A zacskós cellák előnye, hogy szinte bármilyen méretű téglalap alakú helyre lehet őket méretezni. A magasabb védelem érdekében a cellára vékony műanyag tokot helyezve megkapjuk a mobiltelefonok cserélhető akkumulátorairól ismert téglatestet (Prismatik cell), amely belsejében valójában egy zacskós cella lapul. A fizikai behatásokkal szembeni gyenge védelmének köszönhetően az elektromos autózáshoz nem ez az ideális kivitel. Természetesen kivételek vannak (pl.: Smart).

Lítiumakkumulátorok többféle tokozásban. Forrás: wikimedia.org

Van egy az átlagember számára meglehetősen ritka elrendezés, amely szintén téglatest alakú, de nem mobiltelefon, hanem inkább vizes palack méretű, nevezzük tömbös elrendezésnek. Jellemzően nagy akkumulátortelepekben és házi készítésű elektromos autókban fordul elő.

Gyakori méretek

Mivel az elektromos autózásban a Tesla által használt hengeres forma a legelőremutatóbb, ennek szabványos méreteit vizsgáljuk meg részletesebben. A  hagyományos ceruzaelemek (és NiMH testvérei) „AA” jelölésű 14,5 mm átmérőjű és 50 mm hosszú hengeres tokozást kaptak. Ezzel szemben a 90-es években megalkotott 18650 jelű lítiumcellák, ahogy a számokból kiolvashatók, 18 milliméter átmérőjűek és 65 mm hosszúak. Arányai összetéveszthetetlenek, tipikusan a lítiumakkumulátort juttatják eszébe annak, aki látott már ilyet valaha. Ezt a méretet a laptopok hozták divatba, mivel egy kétezres évekbeli hordozható számítógép vastagságával még kitűnő viszonyban voltak a majd 20 mm átmérőjű telepek.

A Tesla és a Panasonic közös fejlesztésének eredménye a 2170 méretű lítiumakkumulátor. Forrás: fortunedotcom.files.wordpress.com

A 65 mm hosszú cellákból még léteznek 26650 és 32650 jelöléssel ellátott 26 mm és 32 mm átmérőjű alakzatok is. A legújabb szabványosított méretet 2016-ban a Tesla Motors és a Panasonic mérnökei alkották meg és hozták divatba, és az elnevezésben szereplő számok természetesen itt is a 21 mm-es átmérőre és 70 mm-es hosszúságra utalnak.

A lítiumion akkumulátorok különböző összetételei

Lítium-kobalt-dioxid (LiCoO2)

Ez az összetétel a mobiltelefonokban, laptopokban, kis fogyasztású eszközökben terjedt el, mivel energiasűrűsége az egyik legnagyobb a lítiumcellák közül, de nem tud nagy áramot leadni, tehát a teljesítménye kicsi. Az akkumulátor katódja, vagyis a pozitív elektródája kobalt-oxidból, anódja, vagyis negatív elektródája grafitból készül. A nagyobb kapacitás, a réteges elrendezésnek is köszönhető. A kobalt-oxid cella hátránya, a már említett kis teljesítmény mellett a viszonylag rövid élettartam, ezért olyan eszközökbe ideális választás, amelynek élettartam az akkumulátorhoz hasonlóan rövid.

Lítium-mangán-oxid (LiMn2O4)

A névadó vegyület ebben az esetben is a katód anyagát jelöli. A belső térhálós szerkezetnek (spinel) köszönhetően alacsony belső ellenállással rendelkezik, tehát nagy áram leadására képes. Olyannyira, hogy egy átlagos 18650 méretű cella tartósan 10 amper feletti, impulzusszerűen pedig 50 ampernél is több áramot képes kipréselni magából. A nagy teljesítmény leadása közben azonban hő termelődik és ha nem tudja elég gyorsan leadni, fennáll a veszélye, hogy károsodik a cella. Szintén a térhálós szerkezetből adódóan nagyobb mechanikai stabilitással is rendelkezik. Sajnos mint sejthető, a nagy teljesítményért a kisebb kapacitással kell fizetni, ez a típus körülbelül harmadannyi elektront képes magába sűríteni mint a kobaltos változat.

Lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2 vagy NMC)

Ennek a cellának a vegyületéből rögtön kitűnik, hogy az előző két verzió kombinációját takarja. Ez az ötvözés a tulajdonságaiban is tetten érhető, mert a mérnököknek sikerült egyesíteni benne a teljesítmény és a kapacitás iránti igényeket. Az anód ennél a cellánál szilíciumot is tartalmaz. A hozzáadott szilícium mértékével nő a kapacitás, de csökken a teljesítmény. A nikkel és a kobalt mértékével szintén lehet befolyásolni az akkumulátor tulajdonságait. Legfőbb előnye a korábbi kettővel szemben a hosszabb élettartam.

Lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid (LiNiCoAlO2 vagy NCA)

Ez az összetétel speciálisan a nagy kapacitást igényló alkalmazásokhoz  fejlesztették ki. Minden egyéb tulajdonságában gyengébb a korábban felsorolt lítiumakkumulátoroknál.

Lítium-titán (Li4Ti5O12)

Ebben az összetételben az előzőektől eltérően az anód anyaga a grafit helyett titán, a katód lehet mangán-oxid szintén térhálós szerkezetben. A korábbi cellatípusoknál alacsonyabb cellafeszültséggel rendelkezik és a tárolókapacitása is alacsonynak mondható. Cserébe viszont nagyon nagy teljesítmény leadására képes, hosszabb élettartamot biztosít és kevesebb az előállítási költsége is.

Lítium-vas-foszfát (LiFePO4)

Ez a kémiai összetétel a korábbiaknál ellenállóbbá teszi a cellákat a maximális feszültségre történő töltéssel szemben, de ez az átlagos lítiumion akkumulátoroknál alacsonyabb, ezért névleges feszültsége is kisebb. Ez az alacsonyabb feszültségszint azt jelenti, hogy négy cella sorba kapcsolva pontosan 12,8 V ezért alkalmas a savas ólomakkumulátorok helyettesítésére.

A li-ion akkumulátorok alkalmazása az autóiparban

Amikor az elektromos autózás inkább néhány őrült hobbija volt mint valós közlekedési alternatíva, akkor még a házi projektekhez savas ólomakkumulátorokat használtak. Aztán később megjelent az árban versenyképes, tömbszerű lítiumakkumulátor, de akkoriban még nagyon kevés információ állt rendelkezésre ezeknek a „különös jószágoknak” a működéséről. Mégis sokaknak sikerült működő járműveket létrehozni, még néhány kis cég is vállalt átépítéseket, természetesen az akkumulátorok, motorok, vezérlők és töltők beszerzésével együtt. A számos konstrukció azonban nem ihlette meg az ipar szereplőit és azóta sem vesznek tudomást a tömbszerű sárga cellák létezéséről.

Tömbszerű lítiumakkumulátor. Forrás: ecplaza.com

A lítium alapú akkumulátorok járműipari alkalmazásának vastag jegét a Tesla Motors, egy kis amerikai start-up vállalat törte meg azzal, hogy egy Lotus Elise vázat teletömött 18650-es lítiumakkumulátorral és tettek mellé egy brutálisan erős motort. A közönség lélegzete elállt és egy csapásra megváltozott a világ korai elfogadóinak véleménye arról, hogyan is kell egy elektromos autónak kinéznie és az úton viselkednie. A Tesla Motors napjainkban is tartó történetét talán mindenki ismeri, de azt kevesen tudják, hogy a 18650 méretű li-ion akkumulátor alkalmazása volt a siker egyik kulcsa 2004-ben.

Ezután hosszú-hosszú éveknek kellett eltelnie, mire egyáltalán a hibrid autókban elkezdték alkalmazni a ezeket a cellákat. A Toyota Prius harmadik generációjának csak a konnektoros (plug-in) verziójába került be 2016-ban ez a technológia.

A Tesla egyik akkumulátorcsomagja. Forrás: http://2.bp.blogspot.com

Azóta természetesen már szinte minden nagyobb gyártó piacra dobott egy vagy több, tisztán elektromos személygépjárművet (egyesek még teherjárműveket is), kivétel nélkül lítiumakkumulátorral szerelve.

A teljesség igénye nélkül, a cikk írásának pillanatában, a következő ismertebb elektromos és hibrid típusok közül válogathatnak a vásárlók az új- és használt árupiacon, amelyek lítiumion akkumulátorban tárolják az energiát:

Forrás: batteryuniversity.com

A következő részben többek között annak járunk utána, hogy a lítiumakkumulátorok milyen elektronikai megoldásokat igényelnek a gyártó részéről annak érdekében, hogy teljesítményük és élettartamuk is kellően magasan tartható maradjon.

Magyar Péter

Villamosmérnökként szakmai csodálattal tekintek minden elektromos járműre, ugyanakkor azt látom, hogy sok az ismerethiányból adódó ellenérzés irántuk. Írásaimmal ezen szeretnék pozitív irányban változtatni!