A lítium-ion akkumulátor
A lítium akkumulátorral kapcsolatos úttörő munka 1912-ben kezdődött GN Lewis vezetésével, de csak az 1970-es évek elején jelentek meg a kereskedelemben az első nem újratölthető lítium akkumulátorok. A lítium az összes fém közül a legkönnyebb, a legnagyobb elektrokémiai potenciállal rendelkezik, és a tömeghez viszonyítva a legnagyobb energiasűrűséget biztosítja.
Az újratölthető lítium akkumulátorok fejlesztésére tett kísérletek biztonsági problémák miatt kudarcot vallottak. A lítium fém instabilitása miatt, különösen a töltés során, a kutatás a lítium-ionokat használó, nem fémes lítium akkumulátorra terelődött. Bár energiasűrűsége valamivel alacsonyabb, mint a lítium fém, a lítium-ion biztonságos, feltéve, hogy bizonyos óvintézkedéseket betartanak a töltés és a kisütés során. 1991-ben a Sony Corporation kereskedelmi forgalomba hozta az első lítium-ion akkumulátort. Más gyártók is követték a példát.
A lítium-ion energiasűrűsége jellemzően kétszerese a standard nikkel-kadmiuménak. Lehetőség van nagyobb energiasűrűségre. A terhelési jellemzők meglehetősen jók, és kisülési szempontból a nikkel-kadmiumhoz hasonlóan viselkednek. A magas, 3,6 voltos cellafeszültség lehetővé teszi, hogy az akkumulátorcsomagot csak egy cellával szereljék fel. A legtöbb mai mobiltelefon egyetlen cellán fut. Egy nikkel alapú csomaghoz három 1{7}}voltos cellát kellene sorba kötni.
A lítium-ion akkumulátor alacsony karbantartási igényű, olyan előny, amelyre a legtöbb más kémia nem hivatkozhat. Nincs memória, és nincs szükség ütemezett kerékpározásra az akkumulátor élettartamának meghosszabbításához. Ezenkívül az önkisülés kevesebb, mint fele a nikkel-kadmiumhoz képest, így a lítium-ion kiválóan alkalmas a modern üzemanyagszint-mérő alkalmazásokhoz. A lítium-ion cellák ártalmatlanítása esetén csekély kárt okoznak.
Általános előnyei ellenére a lítium-ionnak vannak hátrányai. Törékeny, és védelmi áramkört igényel a biztonságos működés fenntartásához. Az egyes csomagokba beépített védelmi áramkör korlátozza az egyes cellák csúcsfeszültségét töltés közben, és megakadályozza, hogy a cella feszültsége túl alacsonyra csökkenjen kisütéskor. Ezenkívül a cella hőmérsékletét figyelik a szélsőséges hőmérsékletek elkerülése érdekében. A legtöbb csomagon a maximális töltő- és kisütési áram 1C és 2C között van korlátozva. Ezen óvintézkedések betartásával gyakorlatilag kiküszöbölhető a túltöltés miatti fémes lítium bevonat előfordulása.
A legtöbb lítium-ion akkumulátor aggodalomra ad okot az öregedés, és sok gyártó hallgat erről a kérdésről. Egy év elteltével némi kapacitásromlás észlelhető, függetlenül attól, hogy az akkumulátor használatban van-e vagy sem. Az akkumulátor gyakran két-három év után meghibásodik. Meg kell jegyezni, hogy más vegyszereknek is vannak korral összefüggő degeneratív hatásai. Ez különösen igaz a nikkel-fém-hidridre, ha magas környezeti hőmérsékletnek van kitéve. Ugyanakkor a lítium-ion csomagokról ismert, hogy egyes alkalmazásokban öt évig szolgáltak.
A gyártók folyamatosan fejlesztik a lítium-iont. Körülbelül félévente új és továbbfejlesztett kémiai kombinációkat vezetnek be. Ilyen gyors fejlődés mellett nehéz felmérni, hogy az átdolgozott akkumulátor mennyire öregszik.
A hűvös helyen történő tárolás lelassítja a lítium-ion (és más vegyi anyagok) öregedési folyamatát. A gyártók 15 fokos (59 fok F) tárolási hőmérsékletet javasolnak. Ezenkívül az akkumulátort a tárolás során részlegesen fel kell tölteni. A gyártó 40%-os töltést javasol.
A költség-energia arányt tekintve a leggazdaságosabb lítium-ion akkumulátor a hengeres 18650 (mérete 18 mm x 65,2 mm). Ezt a cellát mobil számítástechnikához és egyéb olyan alkalmazásokhoz használják, amelyek nem igényelnek ultravékony geometriát. Ha vékony csomagolásra van szükség, a prizmás lítium-ion cella a legjobb választás. Ezek a sejtek a tárolt energia tekintetében magasabb költségekkel járnak.
Előnyök
Nagy energiasűrűség – még nagyobb kapacitások lehetősége.
Új állapotban nem igényel hosszas alapozást. Egy rendszeres töltés elég.
Viszonylag alacsony önkisülés – az önkisülés kevesebb, mint fele a nikkel alapú akkumulátorokénak.
Alacsony karbantartási igény - nincs szükség időszakos kisütésre; nincs emlék.
A speciális cellák nagyon nagy áramerősséget tudnak biztosítani olyan alkalmazásokhoz, mint például az elektromos kéziszerszámok.
Korlátozások
Védőáramkör szükséges a feszültség és az áram biztonságos határokon belül tartásához.
Ki van téve az öregedésnek, még akkor is, ha nincs használatban – hűvös helyen, 40%-os töltöttséggel történő tárolás csökkenti az öregedési hatást.
Szállítási korlátozások – nagyobb mennyiségek szállítása hatósági ellenőrzés alá eshet. Ez a korlátozás nem vonatkozik a személyes kézipoggyász-akkumulátorokra.
Drága a gyártás – körülbelül 40 százalékkal drágább, mint a nikkel-kadmium.
Nem teljesen érett – a fémek és a vegyszerek folyamatosan változnak.
Lítium polimer akkumulátor
A lítium-polimer a használt elektrolit típusában különbözik a hagyományos akkumulátorrendszerektől. Az eredeti, az 1970-es évekből származó tervezés száraz szilárd polimer elektrolitot használ. Ez az elektrolit egy műanyagszerű filmre hasonlít, amely nem vezet elektromosságot, de lehetővé teszi az ioncserét (elektromosan töltött atomok vagy atomcsoportok). A polimer elektrolit helyettesíti a hagyományos, elektrolittal átitatott porózus szeparátort.
A száraz polimer kialakítás leegyszerűsíti a gyártást, a robusztusságot, a biztonságot és a vékony profil geometriáját. A mindössze egy milliméter (0.039 hüvelyk) cellavastagság miatt a berendezéstervezők saját fantáziájukra vannak bízva a forma, a forma és a méret tekintetében.
Sajnos a száraz lítium-polimer gyenge vezetőképességű. A belső ellenállás túl nagy, és nem tudja leadni a modern kommunikációs eszközök táplálásához és a mobil számítástechnikai berendezések merevlemezeinek felpörgetéséhez szükséges áramlöketeket. A cella 60 fokos (140 °F) vagy magasabb hőmérsékletre történő felmelegítése növeli a vezetőképességet, ez a követelmény nem alkalmas hordozható alkalmazásokhoz.
A kompromisszum érdekében némi géles elektrolitot adtunk hozzá. A kereskedelmi cellák ugyanabból a hagyományos porózus polietilénből vagy polipropilénből készült elválasztó/elektrolit membránt használnak, amelyet polimerrel töltenek meg, amely a folyékony elektrolittal való megtöltéskor gélesedik. Így a kereskedelmi forgalomban kapható lítium-ion polimer cellák kémiájukat és anyagukat tekintve nagyon hasonlóak folyékony elektrolit ellenanyagaikhoz.
A lítium-ion-polimer nem fogott fel olyan gyorsan, mint azt egyes elemzők várták. Más rendszerekkel szembeni fölénye és alacsony gyártási költsége nem valósult meg. A kapacitásnövekedés terén nem történt javulás – valójában a kapacitás valamivel kisebb, mint a szabványos lítium-ion akkumulátoré. A lítium-ion-polimer az ostyavékony geometriák, például a hitelkártya-akkumulátorok és más hasonló alkalmazások terén találja meg piaci rését.
Előnyök
Nagyon alacsony profil – a hitelkártya profiljához hasonló akkumulátorok is megvalósíthatók.
Rugalmas forma – a gyártókat nem kötik a szabványos cellaformátumok. Nagy mennyiséggel bármilyen ésszerű méret gazdaságosan előállítható.
A könnyű zselés elektrolitok egyszerűsített csomagolást tesznek lehetővé a fémhéj eltávolításával.
Fokozott biztonság – jobban ellenáll a túltöltésnek; kisebb az elektrolitszivárgás esélye.
Korlátozások
Alacsonyabb energiasűrűség és csökkent ciklusszám a lítium-ionhoz képest.
Drága a gyártás.
Nincsenek szabványos méretek. A legtöbb cellát nagy mennyiségű fogyasztói piacra gyártják.
Magasabb költség/energia arány, mint a lítium-ioné
A lítiumtartalom korlátozása a légi közlekedésben
A légi utazók felteszik a kérdést: "Mennyi lítiumot vigyek fel egy akkumulátorban?" Két akkumulátortípust különböztetünk meg: fémlítium és lítium-ion.
A legtöbb fém lítium akkumulátor nem újratölthető, és filmes fényképezőgépekben használják. A lítium-ion csomagok újratölthetőek, laptopok, mobiltelefonok és videokamerák tápellátását biztosítják. Mindkét akkumulátortípus, beleértve a pótcsomagokat is, megengedett kézipoggyászként, de nem haladhatja meg a következő lítiumtartalmat:
2 gramm lítium fém vagy lítium ötvözet akkumulátorokhoz
8 gramm lítium-ion akkumulátorokhoz
A 8 grammot meghaladó, de legfeljebb 25 grammos lítium-ion akkumulátorok a kézipoggyászban szállíthatók, ha a rövidzárlatok elkerülése érdekében külön vannak védve, és személyenként két tartalék akkumulátorra korlátozódnak.
Honnan tudhatom meg a lítium-ion akkumulátor lítium tartalmát?Elméleti szempontból egy tipikus lítium-ion akkumulátorban nincs fém lítium. Van azonban egyenértékű lítiumtartalom, amelyet figyelembe kell venni. Lítium-ion cella esetén ezt a névleges kapacitás 0,3-szorosára számítják (amperórában).
Példa:Egy 2Ah 18650 Li-ion cella 0,6 gramm lítiumot tartalmaz. Egy tipikus 60 Wh-s laptop akkumulátoron 8 cellával (4 soros és 2 párhuzamosan) ez 4,8 g-ot tesz ki. Ahhoz, hogy az ENSZ 8-grammkorlátja alatt maradjon, a legnagyobb magával vihető akkumulátor 96 Wh. Ez a csomag 2,2 Ah cellákat tartalmazhat 12 cellás elrendezésben (4s3p). Ha helyette a 2,4 Ah-s cellát használnák, a csomagot 9 cellára kellene korlátozni (3s3p).
A lítium-ion akkumulátorok szállítására vonatkozó korlátozások
Bárki, aki ömlesztve szállít lítium-ion akkumulátorokat, köteles betartani a szállítási előírásokat. Ez vonatkozik a belföldi és nemzetközi szárazföldi, tengeri és légi szállításokra.
Azokat a lítium-ion cellákat, amelyek egyenértékű lítiumtartalma meghaladja az 1,5 grammot vagy a 8 grammot akkumulátoronként, "9. osztályú különféle veszélyes anyagként" kell szállítani. A sejtkapacitás és a csomagban lévő cellák száma határozza meg a lítiumtartalmat.
Ez alól kivételt képeznek a 8 grammnál kevesebb lítiumot tartalmazó csomagok. Ha azonban egy szállítmány több mint 24 lítium cellát vagy 12 lítium-ion akkumulátorcsomagot tartalmaz, speciális jelölésekre és szállítási dokumentumokra lesz szükség. Minden csomagon fel kell tüntetni, hogy lítium elemet tartalmaz.
Minden lítium-ion akkumulátort az UN 3090-ben részletezett előírásoknak megfelelően kell tesztelni, függetlenül a lítiumtartalomtól (ENSZ Vizsgálatok és kritériumok kézikönyve, III. rész, 38.3 alszakasz). Ez az óvintézkedés védelmet nyújt a hibás akkumulátorok szállítása ellen.
A cellákat és az akkumulátorokat külön kell választani a rövidzárlat elkerülése érdekében, és erős dobozokba kell csomagolni.