Ogniwa litowo-jonowe - Akumulatory i ich konstrukcje

Żywotność

Parametrem ważnym zwłaszcza dla właścicieli samochodów elektrycznych jest również żywotność akumulatorów litowo-jonowych, z czasem bowiem ich właściwości w zakresie magazynowania energii ulegają pogorszeniu. Szybkość postępu tego procesu zależy od materiałów użytych do ich budowy, ich konstrukcji oraz sposobu, w jaki są użytkowane - szybszemu starzeniu się sprzyja m.in. przegrzewanie się akumulatora.

Na przykład żywotność akumulatorów używanych w telefonach czy laptopach zazwyczaj wynosi tylko kilka lat, po upływie których trzeba je wymienić. Akumulatory w autach elektrycznych muszą być siłą rzeczy trwalsze - typowo ich gwarantowana żywotność wynosi od 8 do 10 lat.

Mimo to z czasem ich zdolność do gromadzenia energii spada. To z kolei ma wpływ na obniżanie się z roku na rok ceny samochodu w razie jego odsprzedaży. Dla wielu jest to dodatkowy czynnik zniechęcający do kupna pojazdu tego typu.

Żywotność akumulatorów skracają różne problemy. Przykładami są: ubytki jonów elektroaktywnych, nadmierny rozrost powłok pasywacyjnych powstających na elektrodach, delaminacja materiału elektrod od folii oraz pękanie elektrod pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Obawy o bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych wyrażają zarówno właściciele elektroniki użytkowej, jak i samochodów elektrycznych. Na przestrzeni ostatnich lat doszło bowiem do kilku przypadków pożarów, w których odegrały decydującą rolę.

Bezpieczeństwo

Generalnie tytułowy rodzaj akumulatorów łatwiej niż inne ulega zapłonowi, a dochodzi do niego zazwyczaj na skutek zwarcia elektrod, które powoduje nagrzewanie się akumulatora do temperatury powyżej tej bezpiecznej. Powstaniu zwarcia sprzyjają różne defekty wewnątrz ogniwa. Przykładami są: zadziory na foliach elektrod, otwory w materiale elektrod i zanieczyszczenia.

Do niebezpiecznych incydentów doszło na przykład w przypadku kilku modeli aut elektrycznych Tesli. Aby im zapobiec w przyszłości, firma wprowadziła zmiany w konstrukcji Modelu S, dodając w 2014 roku tytanowe i aluminiowe osłony wzmacniające podwozie, które miały zapobiegać wnikaniu drobin z drogi do akumulatorów. Mimo tych zabiegów w 2016 roku miały miejsce kolejne pożary aut tego typu.

Innym przykładem są telefony Samsung Galaxy Note 7, które ze względu na zapłon akumulatorów przysporzyły temu producentowi niemałych problemów. Na początku firma zaoferowała darmową wymianę akumulatorów, jednak to nie zapobiegło kolejnym pożarom telefonów nowo oddanych do użytku.

Chociaż producent źródła problemu wciąż upatruje w wadliwych akumulatorach, można podejrzewać, że winny był nieprawidłowy projekt urządzenia oraz brak testów, które zawczasu wykryłyby zagrożenie.

Na pojemność i żywotność oraz bezpieczeństwo akumulatorów wpływ mają materiały użyte do ich budowy. Ważne są również układy elektroniczne nadzorujące ich pracę.

Materiały konstrukcyjne

Popularnym materiałem, z którego wykonywane są katody w tytułowych akumulatorach, jest tlenek litowo-kobaltowy (LiCoO₂). Akumulatory litowo-jonowe dostępne są też w wersji z katodą z tlenku litowo-żelazowo-fosforanowego (LiFePO₄), tlenku litowo-manganowego (LiMn₂O₄) i materiałów: NMC, na bazie litu, niklu, manganu i kobaltu (LiNiMnCoO₂) i NCA, który w składzie oprócz litu, niklu i kobaltu ma również aluminium (LiNiCoAlO₂).

Anoda akumulatorów z ogniwem litowo-jonowym wykonana jest zazwyczaj z węgla w formie grafitu. Gęstość energii, jaką można uzyskać w akumulatorach z ujemną elektrodą z tego materiału, wynosi typowo od 200 do 250 Wh/kg. Uznaje się je za bezpieczniejsze niż akumulatory z anodą z litu.

Pomimo to właśnie w tym ostatnim materiale pokładane są bardzo duże nadzieje. Wynika to stąd, że ma on właściwości, które w przypadku materiałów anod w akumulatorach o dużej pojemności są szczególnie pożądane. Są to: duża pojemność grawimetryczna, która wynosi 3860 mAh/g, mała gęstość (0,59 g/cm³) oraz niski potencjał elektrochemiczny.