A szakértő elmondja, mitől megy tönkre az akkumulátorod

Heti rendszerességű podcastunk, a Villanyóra 231. epizódjában Höfler Lajos, a BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszékének docense volt a vendégünk, akivel az akkumulátortechnológia kérdéseiről beszélgettünk. Az adás során szóba került a nátriumion, a lítium-kén, a lítium-vasfoszfát technológia és a mindenki által várt szilárdtest-akkumulátor is. Ezek persze önmagukban is érdekes témák, de ami a hallgatóinkat a mindennapokban bizonyára közelebbről érinti, az az akkumulátorok degradációjának háttere, és az, hogy ezt a nem kívánt folyamatot hogyan lassíthatjuk le, amennyire csak lehetséges.

Mivel ez utóbbi egy nagyon fontos és sokakat érintő téma, a következőkben írásban is összefoglaljuk a Villanyórában elhangzott legfontosabb információkat.

Hogyan működik egy lítiumion-akkumulátor?

A lítiumion-akkumulátorok alapvetően négy fő komponensből állnak: az anódból (negatív elektród), a katódból (pozitív elektród), a kettőt elválasztó szeparátorból és az ionokat vezetni képes elektrolitból. A katódot valamilyen fém-oxid (pl. nikkel-mangán-kobalt-oxid, NMC), míg az anódot grafit alkotja. Amikor az akkumulátor fel van töltve, a lítium nagy része az anódban található.

Kisütéskor a lítiumionok az elektroliton és a szeparátoron keresztül „átvándorolnak” az anódból a katódba, ezzel párhuzamosan az elektronok a külső áramkörön keresztül áramlanak, így a rákapcsolt fogyasztót (pl. az autó motorját) árammal látjuk el. Töltéskor az elektronok és a lítiumionok az ellenkező irányba mozognak, amit egy külső áramforrás energiája tesz lehetővé.

A töltési-kisütési ciklusok során az akkumulátorok sajnos „öregednek”, kapacitásvesztést szenvednek el, ami egy természetes folyamat, ennek mértéke azonban egyáltalán nem lényegtelen, és számos tényező befolyásolhatja. A töltés során alkalmazott áramerősség, a használati profil és a hőmérséklet megfelelő megválasztása kiemelten fontos az akkumulátorok egészsége szempontjából.

Kép: BME/Höfler Lajos

A szakértő válaszol

Sokszor halljuk, hogy amennyire lehet, kerüljük a 100%-ra való töltést. Mekkora jelentősége van a töltési-kisütési ciklusok mélységének?

Nagyon fontos megjegyezni, hogy ha ugyanakkora árammal töltöm az akkumulátort, valamint a hőmérsékletét is állandó szinten tartom, még akkor is óriási különbséget jelent, hogy hogyan használom. Ha például nulláról 100%-ra töltöm, vagy ha 20% és 80% között tartom a töltöttséget, a kettő között akár ötszörös-hatszoros élettartambeli különbség is lehet.

Ha valaki oda tud figyelni arra, hogyan tölti az akkumulátort – például egy otthon használt berendezés esetében –, akkor nem csupán 20%-kal növelheti meg az akkumulátor élettartamát, hanem akár többszörösére is. Ez egy nagyon fontos tényező, amit érdemes tudni.

Igazából nagyon sok ember ingázásra használja az elektromos autókat. Kivesz egy út alkalmával mondjuk 20-30%-ot az akkumulátorból, ilyenkor nem 100 és 60% között érdemes használni az autót, hanem mondjuk 80 és 40% között, ami ugyanaz a tartomány, csak nem megyünk el a töltéssel 100% felé – emelte ki a használati profilok fontosságát Höfler Lajos.

Az elektromos autókkal kapcsolatban egy másik gyakorta felmerülő kérdés, hogy a villámtöltés milyen hatással van az akkumulátorok egészségére? A megfelelő temperálás mennyiben segít ellensúlyozni az ilyenkor fellépő nem kívánt folyamatokat?

Fontos tudni, hogy az akkumulátor öregedése nem egyetlen tényezőből ered, hanem több különböző mechanizmusból – magyarázta Höfler. Mi, például a Volkswagen kutatásaival együttműködve, sokat foglalkoztunk ezzel. Az egyik legfontosabb öregedési mechanizmus a szilárd elektrolit határfázis (SEI) kialakulása.

Amikor egy akkumulátort töltök, a cél az, hogy az áram nagy része valóban a töltés hatékonyságára fordítódjon. Ez azt jelenti, hogy a katódból a lítiumionok eljussanak az anódba. Ha azonban túl nagy áramot használok, az mellékreakciókat indíthat be. Ezek a reakciók például a szilárd elektrolit határfázis kialakulását eredményezhetik. A negatív elektródon ilyenkor egy határréteg alakul ki, amely elnyeli a lítiumot.  Bár a lítium át tud haladni ezen a rétegen, bizonyos mennyiség csapdába esik benne, ami csökkenti az akkumulátor kapacitását. Például egy korábban 200 amperórás akkumulátor kapacitása 5 amperórával csökkenhet, mert a lítium egy része ebben a szilárd rétegben marad.

Minél nagyobb az áram, annál kevésbé hatékony a töltési folyamat. Kis áramnál a lítiumionoknak van idejük átvándorolni a katódból az anódba, akár 99,9%-os hatékonysággal is. Ha azonban a normál áram százszorosával próbálok tölteni, akkor már nem lesz ilyen hatékony a folyamat, és lesznek lítiumionok, amelyek mellékreakciók során például a szilárd elektrolit határfázis kialakulását segítik elő.

Ez az SEI egyike az öregedési mechanizmusoknak. Érdekesség, hogy magasabb hőmérsékleten ennek a hatása kevésbé problémás. Egy másik jelentős mechanizmus a lítium szigetek kialakulása, amely szintén a negatív elektródnál történik. Amikor alacsony hőmérsékleten vagy nagyon nagy sebességgel töltöm az akkumulátort, a grafit – amely réteges szerkezetű anyag – nem képes hatékonyan befogadni a lítiumionokat.

Ha túl gyorsan töltöm, a lítium nem jut el a grafit rétegei közé, hanem a grafit külső felületén halmozódik fel. Ez lítium fém formájában jelenik meg, ami már nem oldódik vissza. Ez a lítium elveszik a folyamatból, így az akkumulátor kapacitása csökken. Ezért nem szabad lítiumion-akkumulátort nagyon alacsony hőmérsékleten, például -20 °C-on tölteni, főleg nem gyorsan.

Összefoglalva, az akkumulátor öregedésében a nagy áram nagyobb problémát jelent, mint a nagy hőmérséklet. Hiába hűtöm az akkumulátort, a nagy áram továbbra is mellékreakciókat idézhet elő, míg a hűtés túlzott alkalmazása akár árthat is. Fontos tehát, hogy az akkumulátor hőmérsékletét egy biztonságos tartományban tartsuk, például 30-40 °C között, mivel ez még jótékony hatású is lehet az öregedési folyamatok szempontjából.

Az utolsó fontos mechanizmus, amit megemlítenék, a részecskék repedezése. Amikor a grafit vagy a pozitív elektróda, például az NMC, befogadja a lítiumionokat, körülbelül 10%-kal kitágul. Amikor a lítium elhagyja a részecskét, az visszazsugorodik. Ez az ismétlődő tágulás és zsugorodás repedezést okoz a részecskék szerkezetében, ami rontja az akkumulátor teljesítményét.

Az LFP akkumulátorok a gyártók szerint 5000-6000 ciklust is képesek lehetnek teljesíteni. Ezek a számok mennyire reálisak?

Ez valóban egy érdekes téma, mert ezek az értékek ténylegesen elérhetők, de van egy fontos feltétel: a töltöttségi szintek között nem szabad túl nagy különbséget engedni.

Ha az akkumulátort például soha nem töltöm fel teljesen 100%-ra, és nem merítem le 0%-ra, hanem mondjuk 10% és 90% között tartom, akkor az 5000-6000 ciklus reálisan elérhető. Itt viszont felmerül az a kérdés, hogy ki határozza meg, mi számít 0%-nak és 100%-nak. Például beállíthatom úgy, hogy a 0% valójában a tényleges kapacitás 10%-ának felel meg, a 100% pedig csak 90%-nak.

Ez a megközelítés az energiatároló kapacitást némileg csökkenti. Egy 160 Wh/kg energiasűrűségű cella ilyenkor például csak 140 Wh/kg kapacitást tud nyújtani. Ugyanakkor az élettartama akár ötszörösére is nőhet. Ez tehát egy optimalizálási kérdés: az energiasűrűséget feláldozom a hosszabb élettartam érdekében.

Energiatárolók esetében ez kevésbé probléma, mivel itt nem mindig szükséges a maximális energiasűrűség kihasználása. Egy megfelelően optimalizált rendszerrel, amely biztosítja, hogy az akkumulátor ne menjen egy bizonyos feszültség alá vagy fölé, az 5000-6000 ciklus könnyedén elérhető.

Felmerült az is, hogy az újabb, nagyobb energiasűrűségű LFP akkumulátorok vajon miért jobbak. Ez részben a technológia fejlődésének köszönhető. Mivel ezeket a fejlesztéseket nagy cégek végzik, és sokszor nincs mögöttük nyilvános publikáció, nehéz pontosan megmondani, hogyan érik el a javulást.

Nem valószínű azonban, hogy ezek az akkumulátorok csak néhány ciklust bírnának ki. Például egy 200 Wh/kg energiasűrűségű cella valószínűleg képes legalább 1000-1500 ciklusra, és ha mondjuk 180 vagy 170 Wh/kg energiasűrűséget ér el hosszabb távon, az még mindig egy jó eredmény. Ehhez azonban nagyon okosan kell optimalizálni az akkumulátor működését.

A teljes másfél órás beszélgetés meghallgatható a Villanyóra 231. adásában az alábbi linken:

Címlapkép: The Limiting Factor YouTube csatorna

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.