Akumulatory litowo-jonowe - konstrukcje, materiały, parametry

| Technika

Akumulatory litowo-jonowe są lekkie i mają większą gęstość energii niż inne, na przykład w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych aż o 50%. Dzięki temu są popularnym źródłem energii zasilania w elektronice użytkowej i autach elektrycznych. Chociaż przewiduje się, że jeszcze długo żaden inny typ akumulatorów nie będzie stanowił dla nich konkurencji, o przyszłym zapotrzebowaniu na nie zdecyduje to, czy uda się poprawić ich parametry, przede wszystkim pojemność i żywotność, oraz zapewnić bezpieczeństwo ich użytkowania.

Akumulatory litowo-jonowe - konstrukcje, materiały, parametry

Niezależnie od rodzaju każdy akumulator zbudowany jest z czterech podstawowych komponentów: anody, katody, separatora i elektrolitu. Elektrody wykonuje się z różnych materiałów. Dobiera się je tak, żeby w akumulatorze mogła zajść odwracalna reakcja chemiczna, w wyniku której jony będą się przemieszczać pomiędzy katodą a anodą.

Podczas ładowania akumulatora, na skutek przepływu prądu pobieranego ze źródła zasilania, jony - w przypadku tytułowych urządzeń są to jony litu - przemieszczają się w elektrolicie w kierunku od elektrody dodatniej do elektrody ujemnej. Podczas rozładowywania z kolei jony płyną w kierunku odwrotnym, czyli od anody do katody, uwalniając przy tym energię, którą jest zasilane urządzenie, wyposażone w akumulator.

Jak wspomniano wyżej, częścią akumulatora jest także separator. Ma on zwykle postać membrany z tworzywa sztucznego. Zadaniem tego elementu jest elektryczna izolacja anody od katody. Ciągłość separatora jest warunkiem koniecznym dla bezpiecznej pracy akumulatora.

Warto w tym miejscu dodać, że lit charakteryzuje silna reaktywność. Z punktu widzenia zdolności do gromadzenia energii elektrycznej jest to ważna zaleta tego materiału. Z drugiej jednak strony to czyni akumulatory litowo-jonowe potencjalnie niebezpiecznymi.

Konstrukcja ogniw

Jeżeli ich temperatura wewnętrzna zbytnio wzrośnie, stabilność reakcji chemicznych, które w nich zachodzą nie będzie gwarantowana. Żeby temu zapobiec, w akumulatorach montowane są rozmaite zabezpieczenia. Przykładem są odpowietrzniki, dzięki którym można obniżyć ciśnienie panujące w ich wnętrzu oraz separatory wykonane z mikroporowatych tworzyw. W tych drugich, w przypadku przekroczenia temperatury granicznej, mikrootwory ulegają stopieniu, blokując przepływ jonów.

Ogniwa akumulatora zbudowane są z warstwowo ułożonych elektrod zamkniętych w metalowej obudowie. Przeważnie materiałem anody pokrywa się folię miedzianą, natomiast materiałem katody folię aluminiową. Pomiędzy nimi umieszcza się separator.

Poszczególne warstwy akumulatora są układane jedna na drugiej i ustawiane pionowo albo zwijane. Po osadzeniu elektrod w obudowie jest ona wypełniana elektrolitem. Krok ten poprzedza uszczelnienie akumulatora.

W obudowie montowany jest zawór, który umożliwia odprowadzenie nadmiaru gazów, będących produktami ubocznymi reakcji, które zachodzą w elektrolicie. Ogniwa łączy się ze sobą. Łączenie szeregowe zwiększa napięcie akumulatora, zaś łączenie wielu ogniw albo ich rzędów równolegle - prąd.

Parametry użytkowe i bezpieczeństwo

Mimo wielu zalet, dzięki którym akumulatory litowo-jonowe są powszechnie używane, dotyczą ich wciąż liczne ograniczenia. Jeżeli nie zostaną z czasem rozwiązane, z pewnością wpłyną na przyszłe zapotrzebowanie na ten rodzaj akumulatorów, jeśli naukowcom uda się w końcu zbudować konstrukcje dla nich alternatywne. Najważniejsze ograniczenia obejmują wybrane parametry oraz bezpieczeństwo użytkowania tytułowych akumulatorów.

Jeśli chodzi o te pierwsze, najważniejsze z nich to: pojemność, od której zależy to, jak często trzeba doładowywać akumulator, i jego żywotność. Parametry te mają szczególne znaczenie w przypadku akumulatorów zasilających samochody elektryczne.

Pojemności akumulatorów obecnie są znacząco większe niż jeszcze parę lat temu, dzięki czemu można je ładować nieporównywalnie krócej. Wciąż jednak w tym zakresie jest dużo do zrobienia, zwłaszcza na potrzeby branży motoryzacyjnej.

Zobacz również