HALLASSUK A HANGUNK!

Írd alá Te is a GEVA (Global EV Alliance) nyilatkozatát!

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.

lithium ion batteries
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.

 

Előnyök Hátrányok
Nagy energiasűrűség Működtetése felügyeleti elektronikát igényel (BMS)
Magas cellafeszültség (3,6 V) Magas ár
Nagy teljesítmény Nem megfelelő használat esetén robbanást is okozhat
Jó energetikai hatásfok A lítium ritka földfém
Alacsony önkisülés Hosszú távú használati tapasztalatok (>20 év) nem állnak rendelkezésre
Hosszú élettartam
Széles üzemi hőmérséklet tartomány

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.

Li_ion_18650
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.

button_cell
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.

Nokia_cell
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).

Li-ion_square
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.

Tesla_panasonic_cell
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.

LiCoO2
Névleges cellafeszültség 3,6 V (3 – 4,2)
Kapacitás Akár 240 Wh/kg
Töltés 0,7 – 1 C (tipikus töltési idő 3 óra)
Kisütés 1 C
Élettartam 500 – 1000 töltési ciklus
Alkalmazási terület Mobiltelefonok, laptopok

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.

LiMn2O4
Névleges cellafeszültség 3,7 V (3 – 4,2)
Kapacitás 150 Wh/kg
Töltés 0,7 – 1 C, gyors töltéssel akár 3C
Kisütés 10 C
Élettartam 300 – 700 töltési ciklus
Alkalmazási terület Kézi szerszámgépek, nagy teljesítményű orvosi eszközök.

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.

LiNiMnCoO2
Névleges cellafeszültség 3,7 V (3 – 4,2)
Kapacitás akár 220 Wh/kg
Töltés 0,7 – 1 C (tipikus töltési idő 3 óra)
Kisütés 2 C
Élettartam 1000 – 2000 töltési ciklus
Alkalmazási terület Nagy teljesítményű számítógépek, kerékpárok, szerszámgépek

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.

LiNiCoAlO2
Névleges cellafeszültség 3,6 V (3 – 4,2)
Kapacitás Akár 300 Wh/kg
Töltés 0,7 C
Kisütés 1 C
Élettartam 500 töltési ciklus
Alkalmazási terület Kis teljesítményű orvosi eszközök, világítástechnika

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.

Li4Ti5O12
Névleges cellafeszültség 2,4 V (1,8 – 2,85)
Kapacitás 80 Wh/kg
Töltés 1 C, gyors töltéssel akár 5C
Kisütés 10 C folyamatos és 30 C impulzusüzemben
Élettartam 3000 – 7000 töltési ciklus
Alkalmazási terület Szünetmentes tápegységek, elektromos autók (pl.: Mitsubishi i-MiEV)

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.

Li4Ti5O12
Névleges cellafeszültség 3,2 V (2,5 – 3,65)
Kapacitás 120 Wh/kg
Töltés 1 C (tipikus töltési idő 3 óra)
Kisütés 1 C folyamatos és 25 C impulzusüzemben
Élettartam 1000 – 2000 töltési ciklus
Alkalmazási terület Mobiltelefonok, laptopok

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.

Li-ion
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.

Tesla_cell
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:

Modell Akkumulátor típusa és kapacitása
Töltési idő
Toyota Prius
PHEV
4.4 kWh, Li-ion. Hatótáv: 18km tisztán elektromos módban
1,5 óra konnektorról
(230 V, 15 A)
Chevy Volt
PHEV
16 kWh, Li-mangán/NMC, folyadékhűtéssel ellátott, 181 kg. Hatótáv: 64 km tisztán elektromos módban
4 óra konnektorról
(230 V, 15 A)
Mitsubishi iMiEV 16 kWh, 88 cellás, 4 cellás modulok, Li-ion. Energiasűrűség: 109 Wh/kg. Feszültség: 330 V. Hatótáv: 128 km
7 óra konnektorról
(230 V, 15 A)
Smart
Fortwo ED
16,5 kWh, 18650 Li-ion. Hatótáv: 136 km
3,5 óra konnektorról
(230 V, 15 A)
BMW i3 22 kWh (18,8 kWh kivehető), LMO/NMC, 60 A prizmatikus cellák. Akkucsomag tömege: 204 kg Hatótáv: 130 – 160 km ~4 óra otthon
(230 V, 30 A);

30 perc villámtöltővel 80 %-ra
(50 kW DC)
Nissan Leaf 30 kWh; Li-mangán, 192 cellás léghűtéses. Akkucsomag tömege: 272 kg. Hatótáv: 250 km 4 óra otthon
(230 V, 30 A)
Tesla S 70 kWh és 90kWh, 18650 NCA cellák 3,4 Ah, folyadékhűtéssel. A 90 kWh-ás csomag tömege: 540 kg. Hatótáv: 424 km.
9 óra 10 kW-tal,
30 perc Tesla Superchargerrel 80 %-ra
Chevy Bolt 60 kWh, 288 cella, folyadékhűtéssel. Hatótáv: 383 km (EPA)
10 óra otthon (230 V, 30 A)
1 óra villámtöltővel 80 %-ra
(50 kW DC)

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.

Nincs időd naponta 8-10 hírt elolvasni? Iratkozz fel a heti hírlevelünkre, és mi minden szombat reggel megküldjük azt a 10-12-t, ami az adott héten a legfontosabb, legérdekesebb volt. Feliratkozás »

Elektromos autót használsz?

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!